凱薩琳狄恩（珍妮佛洛佩茲飾）是一個心理學家，她正在進行一種全新心理治療實驗。藉由一種新的超自然科學，她可以完全地體驗另外一個人無知覺的心靈中發生的一切，包括他們的夢境和私人的冥想。之前凱薩琳只在一個昏迷的孩子身上，用過這種潛意識的方法，希望能讓他清醒，回到他憂傷的雙親身邊。

但是當狡猾凶殘的連續殺人犯卡爾史塔（文森唐諾費瑞歐飾），也同樣陷入昏迷情況，當時他的最後一個受害者仍活生生地被困在一個隱密、充滿機關的牢籠中。聯邦調查局探員彼得諾瓦（文斯范恩飾）找上他最後的希望－凱薩琳，請她幫忙。諾瓦說服了凱薩琳使用她那化學及電流感應的治療法，進入史塔令人發狂的腦海中，尋找他那惡名昭彰且致命的巢穴。

凱薩琳勇敢的同意前往那恐怖又令人驚心膽顫的境域，深入一個兇手的心靈中，探索那詭譎的幻影與詭異的祕密。但這個心靈與她以往所經歷過的完全不同，它邪惡、強大且充滿恐怖的影像和思想，連凱薩琳的生命都可能受到威脅，因為她也將成為他虛擬的獵物。

《入侵腦細胞》以1700萬美元的成績在上映當周奪冠，美國各大媒體也極讚此片為近年來最佳的科幻驚悚片。為了將《入侵腦細胞》幻想、超凡的夢幻景象呈現出來，塔森與英籍的製作設計師湯姆佛登和長期合作的攝影導演保羅洛弗緊密合作，以及奧斯卡金獎得主特效監製克雷平尼與視覺效果監製豪凱文。豪凱文總結《入侵腦細胞》的視覺要素，說道：「這部影片中的視覺效果最不同的地方在於，它跟《駭客任務》、《星際大戰》或《歡樂谷》完全不同，不是每個鏡頭都處處有特效，但是當特效出現時，它們能很有效地創造出一種特定的感覺，擾亂你的大腦對這世界的既定認知。」

為了讓《入侵腦細胞》更增添了未來感與奇幻感，特別是服裝方面，導演特別請來知名的日本藝術家，也曾以法蘭西斯柯波拉的《吸血鬼》一片，得過奧斯卡最佳服裝設計獎的Eiko Ishioka，設計出華麗的腦部探索裝，還有奢侈、超凡地幻想中的裝扮。這是一部全新視野的科幻驚悚片，展現出令人歎為觀止的想像空間。