Par une nuit d'hiver sur une petite route du Nebraska, Mark Schluter, 27 ans, est victime d'un grave accident de voiture. Sa soeur aînée, Karin, revient dans sa ville natale pour être à son chevet. Mais lorsque Mark sort du coma, il semble ne plus la reconnaître. Karin fait alors appel à Gérald Weber, un célèbre neurologue, spécialiste des troubles singuliers du cerveau. Celui-ci identifie le mal dont souffre Mark : le syndrome de Capgras. Le jeune homme reconnaît sa soeur mais n'ayant plus accès aux émotions qu'il éprouve pour elle, il est persuadé que quelqu'un a engagé un sosie, une jeune femme qui parle et agit comme sa soeur. En approfondissant l'étrange fonctionnement du cerveau de Mark, toutes les certitudes et le sens de l'identité de Weber, qui traverse une grave crise personnelle, vont peu à peu vaciller. À son tour, il va s'interroger sur ses croyances et les nécessaires illusions qui nous font vivre.