《入侵脑细胞》中，儿童临床医学家凯瑟琳·迪恩（珍妮弗·洛佩斯 Jennifer Lopez 饰）任职于一家专门研究大脑的医疗机构。她的工作，是借助尖端科技进入幼年患者的梦境，帮助她们治愈内心深处的创伤。
与此同时，当地接连发生幼女失踪案件。负责调查的FBI探员（文斯·沃恩 Vince Vaughn 饰）认定，这些案件与一名连环变态凶手有关。警方经过追查，最终锁定卡尔·斯塔格（文森特·德奥诺费奥 Vincent D'Onofrio 饰）为嫌疑人。然而，卡尔始终拒不开口，被他囚禁的女孩也因此下落不明。无奈之下，警方找到凯瑟琳，希望她运用进入梦境的技术，潜入卡尔的大脑，找出受害者被藏匿的地点。只是，这场深入罪犯意识的行动，远比想象中更加危险。
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