拥有超强短暂记忆力的伪学霸丁一在高考时因被惊吓而考砸，却突然被“清华”破格录取。在前往学校的私人飞机上，他碰到了怪同学“顽劣”富二代冯子希，为了逃学，子希竟打开飞机舱门一跃而下，丁一也被卷出机舱，眼看要摔死间，子希救了丁一。在学校医疗室醒来的丁一，遇到了梦想中的二次元女神艾美。之后丁一方知这所“清华”招收的全都是异能少年。第一次与异能少年同学们见面，丁一惊到目瞪口呆。入学体检，心理医生、天才少女艾美为丁一进行脑电波扫描时，丁一超强的脑电波直接导致了仪器失灵，冯子希见丁一灵盖处有根金属线便将之拔出，压制在丁一体内的超强脑电波随之被释放。丁一返回宿舍睡觉，一位红衣小萝莉出现在丁一梦中。

心理承受力课上，丁一领教了自封“学校警察”的典伟的可怕，冯子希更是受到了典伟的侮辱，和丁一并称为废物组合。当夜丁一又被红衣小萝莉折腾了一晚上吵得全校同学睡不着觉。于是冯子希带来了超梦机，梦中的丁一在高楼大厦间被小萝莉折磨的快要崩溃时，冯子希突然出现。二人上演了一出好莱坞大片式飞天遁地对红衣萝莉的追逐戏。艾美也发现了丁一的超强脑电波，并指出小萝莉的出现与丁一失去的童年记忆有关联，让丁一要想方设法找回童年记忆，丁一只得联系父母，希望能找出自己的童年照片。丁父、丁母闻得丁一的要求后，似有难言之隐。而冯子希看到了和父母通电话的丁一，也触动了他一直以来对亲情的渴望。

冯子希潜进丁一的梦境，没想到两人却被困在了格斗游戏中，而现实中的控制超梦机器的点点因为误服助眠药而沉沉睡去。被困在梦境格斗场中的丁一和冯子希被打得头破血流，险些性命不保，还好最后丁一凭借着超强脑电波，利用自己的想象力打退了对手，熬至时限而逃出梦境。丁一收到了父母寄来的旧照片，再次请求艾美给自己进行解放潜意识。醒来后的丁一说自己看见红衣小萝莉被谋杀的一幕，却看不清楚凶手是谁。丁一回忆真相时，却意外发觉父母发给他的照片有问题，其中一个女孩的脸是被PS上去的。无法解开谜团的丁一，心里阴影愈发扩大。第二天上游泳课，丁一坚持不肯靠近游泳池半步，最后被点点一把扔进泳池。

丁一醒来，发现艾美的嗓音变成了红衣小萝莉的声调，吓得差点儿丢了魂。丁一和冯子希赶到心理咨询室，发现艾美昏死在沙发上。两人潜进艾美梦中。梦中，丁一与冯子希眼看艾美被小萝莉带至天台边缘，丁一飞身扑前营救艾美，丁一与红衣小萝莉同时坠楼并跌进河中，丁一再次看到小萝莉被害过程。艾美给丁一做潜意识解放，让他去找真相。丁一在潜意识的引导下重新回溯了当年的事件始末，发现杀死小萝莉的人正是自己!丁一决定前往公安局自首，艾美与冯子希同丁父丁母将之拦住，并把丁一带至某医院的加护病房，指出病床上的植物人，就是丁一一直寻找的人；丁一入梦与刘珊珊相见，方知刘珊珊当年遇溺只是意外，跟丁一无关，从而解开了丁一的心结。

医院草坪上与艾美分享父母带来的特产的丁一，与独坐在五星级酒店包厢中第N+1次被父亲放鸽子的冯子希形成鲜明的对比。宿舍内，冯子希教丁一如何用纸飞机辨别梦境和现实。学校要进行野外实训，在冯子希的领导下，大家团结在一起，加上丁一的超强记忆能力、点点的蛮力和小蜘蛛飞檐走壁的异能，四人竟然战胜了典伟爆冷夺冠。结果这让典伟十分不爽，暴怒的典伟迫不得已被艾美带走进行心理治疗，但典伟却拒绝接受任何治疗。典伟其实也有自己的心结，他曾经尊敬的父亲因为犯罪被捕入狱，母亲因父亲入狱气结于胸突然暴毙，正是这些痛苦记忆，让典伟的性格变得如此偏激。

冯子希捉弄丁一，假装在梦中用电锯吓唬他，丁一没看到纸飞机落地，以为在梦中，差点儿跳楼，还好冯子希及时阻止。学校举行野外定向追踪活动，丁一拒绝不了只好参与。众人来到迷宫，谁能最快走出迷宫便胜出；然而一进迷宫，丁一就躺树上睡着了。金校长突然叫来艾美，说两天后便是她十九周岁生日，他是时候完成其父母的嘱托，将家传之宝交给她了；金校长取出藏有家传宝物冥王铑的铁盒交给艾美，并提醒她千万不要打开。家中，艾美按捺不住好奇打开铁盒，看见一块被布帛包裹着的漆黑的石头，艾美取出在手把玩，却没察觉一股能量从冥王铑中溢出，瞬时，风云变色，无数身怀异能的奇人同时感到冥王铑重现人间，而被黑烟影响的丁一头痛欲裂。

冯子希闻得艾美邀请丁一吃饭，便要给丁一来个改头换面，却白折腾了一个下午，最后竟换了一身动物cosplay装；冯子希又找来《艾美完全档案》，知道了今天竟是艾美生日!烧烤摊前，艾美偶遇昔日的学长卓翰，卓翰邀约艾美到自己上班的心灵研究院参观，丁一有点自讨没趣的先行离开。雨中，丁一回想刚刚的事，失落之际，艾美出现，又让丁一重拾希望。卓翰陪同艾美参观研究院，艾美被强迫佩戴脑扫描潜意识显像头盔，原来卓翰欲借着头盔，探查出冥王铑藏在哪里。与此同时，冯子希怀疑卓翰接近艾美另有目的。他悄悄跟踪着艾美和卓翰，借助超高科技仪器，监视着艾美和卓翰的举动，而此时此刻卓翰在艾美家不断打探各种消息，尤其对古董感兴趣。

窥探艾美家的冯子希和丁一被艾美逮个正着。艾美警告冯丁二人后驱逐二人离去，却不知道眼前的空气净化器原来是超高科技的微型遥控超梦仪器。夜晚，丁一、冯子希与卓翰闯进艾美梦中，丁、冯与艾美梦中的私人卫队展开激战，还看见之前潜入过艾美潜意识的神秘女侠（金若云）的踪迹。心怀不轨的卓翰到艾美家中不断翻找，却被丁一和冯子希逮个正着。双方激战，危机时刻，神秘女侠出现救了二人。夜深，艾美辗转难眠，又禁不住取出根本没有拿给丁一和冯子希的冥王铑在手中把玩一番。艾美在梦中与父母相遇，却不知道自己已然邪恶能量笼罩全身。艾美再次梦见早已逝世的双亲，却又失之交臂，眼睁睁看着二人进入另一个空间

艾美受冥王铑能量影响醒来邪笑，并一改平日呆萌打扮,衣着野性妖艳。她找到丁、冯，不顾校务主任反对，强行带走二人。艾美巨大的变化让丁、冯二人觉得她已经黑化，并试图调查真相。二人多次来到云咖啡，寻找金若云进入艾美梦境的证据，并让其他同学帮忙安装了监视器，监视金若云的举动。艾美受冥王铑的影响越来越大，金若云进入了艾美的梦中，告诉艾美她是因为无法进入更深层次的潜意识，才无法见到自己的父母。在药物帮助下，艾美进入更深层次的梦境。潜意识中，她与父母团聚，但她却沉迷其中久久不肯离去。这时丁一闯入艾美家中，砸烂咖啡罐子，断开金若云与艾美的梦境联系，却因此造成艾美深陷危机，无法从第二层梦境中离开。

三人进入艾美梦境，丁一想带艾美离开，却被拒绝，后终同意和其离开。金若云发现所谓艾美的父亲是磊乐假扮，磊乐为夺取冥王铑假扮成艾美父亲进入她的梦境。学校组织前往老人院探望老人，众人利用自己的超能力哄老人们开心。眼看冯子希毫无动作要得零分之际，老人们的家人突然从四面八方而来，与其团聚。艾美为报答丁一救命之恩，请丁、冯二人吃饭，并在餐厅请求二人帮助来解决冥王铑的威胁，二人不得已答应。冯子希带着丁一寻遍全城，屡次变化地点散发冥王铑的气息，丁一被冥王铑的气息折磨得直吐白沫。云咖啡内，艾美答谢金若云，并询问其关于药物的问题，作为心理学的研究者，她对这个超梦药极有兴趣，金若云却明显不喜。

心存疑惑的丁一跟踪金若云进入了她的梦中并发现她和磊乐认识，其实金若云想要的只是彩云纱。原来，这一切只因为一个美丽的传说，而她只是想看一眼，也并不是想要拿走。丁一想帮助金若云，央求冯子希将装着彩云纱和冥王铑的盒子挖出。丁一看完彩云纱，在梦中重新利用幻想画出了一个彩云纱，并和金若云一起遨游天空，了了金若云的心愿。但丁一不知道的是，在他和冯子希打开盒子，看彩云纱的过程中，冥王铑释放的能量引起了神秘人的注意。不死心的磊乐带着伊梦偷偷潜入实验室，进入超梦装置。这次放手一搏的磊乐终于在第二层梦与第三层梦的交汇处打开了通向第三层梦的大门。然而进入第三层梦境的磊乐，在现实中却陷入深度昏迷，无法清醒

伊梦向金若云求助，希望通过她的超梦药物进入第三层带回磊乐。金若云最终答应了伊梦。药物制作成功，众人顺利进入磊乐的第一层梦境，第一层梦在研究所里，众人留下伊梦。随后丁、冯、金三人服下药物，成功进入磊乐的第二层梦境，第二层梦境是磊乐与金若云的旧居，金若云来不及感慨，便留下冯子希负责守护。最终丁一与金若云服下药物，潜进磊乐的第三层梦境。第二层梦境是一个人最渴望最美好的记忆，而第三重梦境却恰恰相反，是内心最恐惧的东西。金若云和丁一一到第三层梦境，就被困在了一个巨大的迷宫中，最后凭着丁一的超强记忆力，终于找到了磊乐。但找到的磊乐却身着校服，正被流氓围殴，丁一不顾一切的上前帮忙

丁一、金若云服下入梦药，潜进磊乐的第三层梦境。第三重梦境与第二层相反，是人内心最恐惧的东西。丁一用超能力终于在第三层梦境中找到磊乐，此时的磊乐身着校服，正被流氓围殴。丁一用超能力变身各种角色与流氓对抗，却发现只要磊乐的恐惧不消除，梦中流氓便是不死之身。千钧一发之际磊乐终于在金若云的鼓励下战胜了自己的恐惧。现实中，艾美察觉丁一的异常后赶往医院，试图用电击唤醒丁一。电击导致了每层梦中的震动破裂，最终众人醒来。艾美责备丁一不顾安危只顾朋友，但丁一表示如果艾美遇险，他也会拼命保护，令艾美感动不已。冯子希看望伊梦，二人感情悄悄增进。伊梦想要重新撮合金若云和磊乐，但若云似乎已死心。

丁一为逗若云开心，创造了一个特别的超级马里奥的梦境，二人在梦境中放肆的比赛，若云放松地笑了，并且答应丁一会重新振作。磊乐对若云愧疚不已，他拒绝了魏晋再次重启第三层梦境的研究，找到金若云尽力挽回，金若云心软，两人和好，一直暗恋着磊乐的伊梦只能黯然神伤。丁一看到磊乐、若云重新和好，心头却有异样情绪。观看丁一篮球赛的磊乐觉得他浪费了强大脑电波的天赋，想和他联手研究第四层梦境，丁一果断拒绝，磊乐的举动也让金若云十分生气。冯子希道破伊梦对磊乐的情愫却让伊梦嚎啕大哭，子希愧疚不已。丁一向艾美保证，自己以后不会再以身犯险，但如若艾美有危险，不管第几层梦境他都会去营救，艾美开心不已。

大雨之中，子希撑伞安慰伊梦，两人的感情似乎有了一丝进展。丁一和艾美也在雨中度过浪漫时光。磊乐花言巧语让金若云相信自己的感情，欺骗说只要再试一次进入第四层梦境，了却多年夙愿，算是对多年的研究做一个交代，之后就立刻停手一起去环游世界。实际上磊乐却悄悄联系伊梦帮忙，并偷偷潜进丁一的梦境继续邀请丁一一同进入第四层梦境，仍然被丁一拒绝。被蒙在鼓里的若云与磊乐再次进入梦境，磊乐面目显露，在第四层梦境的大门处偷袭了若云，回到现实的磊乐化妆成快递员绑架了艾美。被梦境世界迷住的磊乐用若云与艾美作要胁，逼迫丁一只身前往，同自己一起进入梦境，替他打开通往第四层梦境的大门。丁一不得不从。

丁一在磊乐的威胁下，打开第四层梦境。眼看第四层梦境要吞食一切，丁一欲堵住入口，磊乐却拉着若云要一起进入第四层梦境。察觉出危险的子希同伊梦赶到，协助丁一全力营救，最终成功脱身。而磊乐却坠进第四层梦境，永不复见。现实中的磊乐再次陷入昏迷，伊梦不离不弃。被伊梦的专情打动的子希为消除伊梦的担忧，将医院买下，帮磊乐和伊梦安排好所有。伊梦暗示子希不要枉费心思，子希表示彼此是朋友，应该帮忙，伊梦感动不已。丁一、艾美来咖啡厅看望若云，若云表示对磊乐彻底死心，丁一、艾美虽担心却不知如何安慰。两人离开后，丁一独自去安慰若云，艾美醋意大发。

医院内，被冯子希重新布置过的病房让伊梦感觉像家一样，温馨不已。若云带着糕点来感谢丁一的安慰，丁一以为是在梦境，说了不少卖萌撒娇的话，结果醒悟后尴尬不已。丁一想拜托艾美再开导一下金若云却遭到艾美冷眼相对。另一边，典韦似乎对艾美产生了一丝好感，被艾美忽视后万分失落。冯子希闻得校庆庆典时学校唯一的校董、他的父亲将会前来，魂不守舍。宿舍内，冯子希拉着丁一想要继续练习入梦被拒绝后，便悄悄潜入丁一的梦中，梦中冯子希变身艾美，利用艾美的样子不断地训练丁一造出一个完整的梦境，结果冯子希的伪装被丁一识破。现实中，两人因为练习造梦的事情闹了矛盾。

子希自知理亏找丁一道歉，但丁一并不接受，两人还是不欢而散。丁一为躲避子希跑到冰冰炎炎的宿舍暂住，却因嫌宿舍的种种不适，被冰冰和炎炎冻成冰人扔在了沙发上，丁一意外的失眠了，尽管他嘴上嫌弃着子希，但此刻想起的都是子希的好，内心有了一丝想念。与此同时独自一人在宿舍的子希也想念宿舍内到处睡觉的丁一。为了缓和两人的关系，子希想在梦中和丁一解释，却把两人关系变得更僵。子希将入梦机锁了起来，只希望丁一能够原谅他。丁一得知后，排斥情绪稍稍缓解。为了搞清楚子希在想什么，丁一请来典韦偷偷解放了子希的潜意识，得知原来子希真的是想利用他的超能力，但却是为了进入爸爸的梦中，解开自己一直以来的心结。

丁一终于得知原来自冯母离世后，冯父便疏远了子希，子希想要造一个梦，伪装成他人去找父亲问清原因。但知道父亲生性多疑，梦中的防御机制肯定很强，所以他需要一个脑电波强大的人来帮助他完成造梦。丁一决定帮助子希，两人和解。丁一和子希在为造梦计划周密准备，典韦和若云也加入其中。校典当日，冯父应约而来，典韦控制了冯父的保镖，子希、丁一和若云潜入了冯父的梦境。梦境中，子希在丁一的帮助和鼓励下，先后化身为徐秘书和冯母，终于打开了冯父的心扉，得知了冯父心中所想。但冯父的防御机制被不断被触发，大批的特种兵赶到，冯父为了保护子希不幸中弹。冯父性命垂危之际，父子二人袒露心声，误会解除。

现实中，冯父了解了子希的心意，决定以后抽出时间多陪儿子。这一幕令典韦回忆起了自己的父母，不禁忧思满满。子希把和父亲和好的消息分享给伊梦，并鼓励伊梦也多和父母沟通，二人感情更进一步。学校中，典韦无意间发现蜜桃形迹可疑，上前制止却遭蜜桃栽赃陷害，终被关进学校禁闭室。有着童年阴影的典韦因父亲坐牢，而对禁闭室异常敏感。艾美分析出典韦是清白的，想要帮助典韦，对其进行心理治疗，却使典韦再次出现了情绪失控导致的能力失控弄伤了艾美，典韦悔恨不已。艾美决定帮典韦洗刷冤情，并准备去监狱探望，找出典韦心理问题的根源。

艾美为找出典韦心理问题的根源，来到监狱探监。原来由于典韦父亲在狱中服刑，导致典韦无法完成自己当警察的梦想。典父悔不当初，答应艾美会帮助典韦。但典韦并不理解艾美的好意，沉溺在对父亲的怨恨中。艾美发现蜜桃果真有问题，找来蜜桃做潜意识解放，但是蜜桃始终抗拒。艾美找来冯子希、点点、丁一帮忙调查蜜桃，三人借助仪器监视，却被蜜桃察觉。蜜桃利用监视漏洞，将一个挂饰放入点点房内，点点受挂饰释放的能量影响，狂性大发，最后从高处跃下受重伤。为查明真相，冯子希和丁一潜入点点的梦境，却发现这件事和冥王铑脱不了干系。而现实中，被冯子希藏起来的冥王铑不翼而飞，众人将怀疑对象锁定到了魏晋身上。

点点病房中，众人将怀疑对象锁定到了魏晋，并准备找蜜桃问个究竟。来看望点点的金校长让大家不要轻举妄动，自己去找魏晋要其交出冥王铑，但魏晋拒不承认还删除了蜜桃的记忆。预知魏晋目的的金校长欲将超能学生转移，但还未来得及行动，学生们便已被冥王铑控制发疯，不得已金校长启动紧急装置，将整所学校封锁起来。原来，金校长和魏晋都曾是著名研究人类潜能的科学家的弟子，一次试验中金校长失手导致魏晋残疾，金校长才意识到异能是把双刃剑。而此次魏晋则是要利用冥王铑控制所有异能人。金校长意识到事态严重，决定请求援助。丁一和冯子希去救被关在禁闭室的典韦，却不知道禁闭室的密码，两人只好去找密码。

丁一和子希寻问禁闭室密码未果，后子希想到利用粉末让密码指纹显现，终于救出了典韦。三人没有按照金校长的指示躲到密室中，而是决定一起去救失控发疯的同学们。魏晋监视着丁一的一举一动，他利用冥王铑的力量将所有同学控制在一个疯狂的梦境中。丁一、子希和典韦正在惆怅之际，前来给予援手的若云出现，四人最终决定利用之前救助艾美的方式，用所有人的阳光回忆将他们的理智唤回。四人好不容易将所有同学制服并注射了入梦药物。若云为救丁一受伤。丁一、典韦和冯子希在梦中与失控的同学们展开搏斗，最后在丁一的努力下控制了局面。但魏晋也加强了冥王铑的力量，放出了巨大的怪物。三人的力量远远不够抵抗。

面对魏晋放出的巨大怪物，丁一、子希、典韦狼狈躲避。金校长率领一众老校友前来支援，终于战胜了魏晋。冥王铑被炸开后，所有人都被震回现实，唯独丁一未醒且没了呼吸，当众人悲痛之际，才发现虚惊一场。礼堂颁奖礼上，典韦看到大家都有父母陪伴，禁不住失落。大家决定帮助典韦走出多年困惑。典韦终于原谅了父亲。得知丁一和艾美只是把彼此当做好朋友，典韦公开示爱艾美，还要丁一帮忙追求，丁一傻眼。伊梦终于放下磊乐，冯子希开心不已，二人终于明白了彼此的心意。一切重归平静，但磊乐突然再次出现！丁一情急之下拿出辨别梦境与现实的纸飞机，只看纸飞机飞出，却一直没落地