A Sigmund Corp. usa uma tecnologia que pode criar memórias artificiais. Eles oferecem isso como um serviço de "realização de desejos" para pessoas em seus leitos de morte. Como essas memórias artificiais entram em conflito com as memórias reais do paciente, o procedimento só é legal para pessoas sem muito tempo de vida.
Os funcionários da Sigmund Corp., Dr. Eva Rosalene e Dr. Neil Watts, são encarregados de realizar o sonho de vida do moribundo Johnny Wyles. Johnny quer ir à lua, embora não saiba o porquê. Os médicos se inserem em uma compilação interativa de suas memórias e atravessam sua vida por meio de lembranças. A cada salto para um momento importante nas memórias de Johnny, eles aprendem mais sobre ele e o que o trouxe à sua posição atual na vida, incluindo seu casamento amplamente infeliz com sua namorada de infância, River. Ao chegar à infância, os médicos tentam inserir seu desejo de ir à lua. Supostamente, a mente de Johnny criaria novas memórias com base nesse desejo, e Johnny morreria acreditando que viveu sem arrependimentos.
No entanto, a mente de Johnny não cria as novas memórias conforme planejado. Dr. Watts e Dra. Rosalene devem resolver o problema para realizar o último desejo de Johnny de ir à lua.
Eventualmente, é revelado que Johnny e River se conheceram quando crianças em um carnaval. Eles olharam para o céu noturno e criaram uma constelação: um coelho com a lua como barriga. Os dois concordaram em se encontrar no mesmo lugar no ano seguinte, com Johnny prometendo que se ele esquecesse ou se perdesse, os dois iriam "se reagrupar na lua". Naquela noite, Johnny dá a River um ornitorrinco de brinquedo que River guarda para o resto de sua vida. Pouco depois, o irmão gêmeo de Johnny, Joey, morreu em um acidente. A mãe de Johnny deu a ele betabloqueadores para induzir a perda de memória do trágico evento, também fazendo com que ele esquecesse seu primeiro encontro com River. Mais tarde, ele a encontrou novamente e, eventualmente, se casou com ela, e River só percebeu mais tarde que havia esquecido seu encontro no carnaval. (Johnny confessou que a abordou na escola porque ela era diferente, e revelou que pensou que aquele era o primeiro encontro deles) River, diagnosticada como adulta com síndrome de Asperger (embora nunca tenha sido declarado diretamente, o jogo faz referência a Tony Attwood, que escreveu vários livros sobre Aspergers), não contou diretamente a Johnny sobre seu primeiro encontro; em vez disso, ela tentou indiretamente sacudir suas memórias cortando o cabelo e criando coelhos de papel, incluindo um de duas cores representando a constelação que eles criaram durante o primeiro encontro, combinado com o vestido azul e amarelo que ela usou no casamento. River não conseguiu fazer Johnny se lembrar antes de morrer, e Johnny ficou com uma culpa persistente e um desejo inexplicável de ir à Lua.
No presente, Rosalene e Watts eventualmente implantam uma sequência de memória na qual Joey não morreu, e viveu para se tornar um autor popular, e Johnny não encontrou River novamente até que eles começaram a trabalhar juntos na NASA. À medida que o comatoso Johnny da vida real começa a morrer, ele imagina ir em uma missão lunar com River. Durante o lançamento, River estende a mão para ele. A lua aparece através de uma janela na nave, e Johnny pega a mão dela enquanto seu monitor cardíaco para.
No epílogo, Johnny e River eventualmente se casam, constroem e se aposentam na mesma casa onde Johnny e River da vida real viveram. De volta ao mundo real, Rosalene e Watts olham para o túmulo de Johnny, que fica ao lado do de River. Eles revelam ao público que Johnny deixou a casa para sua cuidadora, Lily. Rosalene recebe um telefonema, e os dois seguem para o próximo paciente. Enquanto Watts está saindo, ele para e a tela pisca brevemente em vermelho, da mesma forma que acontecia quando Johnny sentia dor. Watts toma alguns analgésicos e continua em frente.
Junte-se à Dra. Rosalene e ao Dr. Watts enquanto eles entram na mente de um paciente chamado Johnny em seu leito de morte para conceder seu pedido final. Assista, interaja e mude o passado enquanto a vida de Johnny se desenrola diante de você e o leva em uma jornada mágica dentro da cabeça de alguém que faz a maior pergunta de todas: "E se...?"
Se você tivesse a chance de reviver sua vida, você mudaria as coisas? Você tentaria atingir algum grande objetivo? Você poderia encontrar o amor? Fama? Fortuna? Ou você perceberia que às vezes o passado é destinado a permanecer o mesmo. Junte-se à Dra. Rosalene e Watts em sua jornada e viaje para a Lua.