Stéphane vient prendre un poste dans un atelier graphique. Sa mère lui a fait croire qu'il allait pouvoir y développer l'idée brillante qui lui est venue : éditer un calendrier mural des catastrophes (éruptions volcaniques, tremblements de terre...). Oui mais voilà, Stéphane souffre d'un désordre mystérieux qui le rend incapable de distinguer les états de veille et de sommeil, l’empêchant de savoir avec certitude s'il rêve ou s'il est conscient. Le malheureux doit se résigner à un travail de technicien dans un bureau qu'il partage avec un petit groupe d'employés sous la coupe de Guy.
Un jour, il fait la connaissance de Stéphanie sa voisine de palier, fille timide dont il tombe amoureux. De là naîtra une histoire d’amour un peu compliquée…
La science des rêves signe le grand retour en France du réalisateur Michel Gondry après un long séjour aux Etats-Unis (Human Nature, The Eternal Sunshine of the Spotless Mind).