《入侵脑细胞》中，儿童临床医学家凯瑟琳·迪恩（珍妮弗·洛佩兹 饰）供职于一家研究大脑的医疗研究机构。她有一种特殊能力，能通过仪器进入他人梦境。当警方遇到棘手案件时，便会借助她的能力破案。变态杀人狂卡尔·斯塔格（文森特·多诺费奥 饰）在昏迷前将最后一位受害者藏了起来，为了在他苏醒前找到女孩，警方找到凯瑟琳，希望她潜入卡尔的梦境获取线索。凯瑟琳进入卡尔扭曲的潜意识世界，这里充满恐怖与危险。她在其中不断探索，逐渐接近真相，同时也面临着被卡尔意识吞噬的巨大风险。最终，她能否在卡尔苏醒前找到女孩并成功脱离险境，成为影片的一大悬念。