Hong Kong, 1966. Dans sa petite chambre d'hôtel, Chow Mo Wan, écrivain en mal d'inspiration, tente de finir un livre de science-fiction situé en 2046. A travers l'écriture, Chow se souvient des femmes qui ont traversé son existence solitaire. Passionnées, cérébrales ou romantiques, elles ont chacune laissé une trace indélébile dans sa mémoire et nourri son imaginaire. L'une d'entre elles revient constamment hanter son souvenir : Su Li Zhen, la seule qu'il ait sans doute aimée. Elle occupait une chambre voisine de la sienne - la 2046...
Le vaisseau spatial Avalon effectue un voyage de cent vingt ans vers la colonie planétaire Homestead II. Mais, alors que le trajet semble bien se dérouler, James Preston a la surprise de constater qu’il est le seul à s’être réveillé.
Theodore Twombly est rédacteur de lettres personnelles pour une petite compagnie de Los Angeles. Hésitant à signer les papiers confirmant son divorce d'avec sa femme Catherine, il vit seul dans son appartement en attendant. Un jour, il se procure un OS, un système d'opération doté d'intelligence artificielle, qui devient sa confidente. Il tombe même amoureux de ce programme informatique qui dit se nommer Samantha. Alors qu'ils apprennent progressivement à se connaître, ils entreprennent une relation aussi normale que possible qui les comble tous les deux... au moins pour quelques temps.
Deux agents hautement entraînés se rapprochent malgré la distance lorsqu'ils sont envoyés garder deux côtés opposés d'une mystérieuse gorge. Quand un mal surgit des profondeurs, ils doivent faire équipe pour survivre à ce qui est tapi sous la surface.
L'histoire débute à Paris, après la « Troisième Guerre mondiale » et la destruction nucléaire de toute la surface de la Terre. Le héros est le cobaye de scientifiques qui cherchent à rétablir un corridor temporel afin de permettre aux hommes du futur de transporter des vivres, des médicaments et des sources d'énergies : « D'appeler le passé et l'avenir au secours du présent ». Il a été choisi en raison de sa très bonne mémoire visuelle : il garde une image très forte et présente d'un événement vécu pendant son enfance, lors d'une promenade avec sa mère sur la jetée de l'aéroport d'Orly.
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