מעשיית אהבה ספק דרמטית ספק מדע-בדיונית, המעלה את השאלה הנצחית: כמה אפשר להתכחש לאהבה, והאם אפשר באמת לשכוח מישהו שאנחנו אוהבים? 'שמש נצחית בראש צלול' מספר את סיפורו של ג'ואל באריש (ג'ים קארי, 'ברוס הגדול מכולם', בתפקיד מינורי ורציני, לשם שינוי), שבמשך שנים ניסה לגרום למערכת היחסים שלו ושל זוגתו, קלמנטיין קרוזינסקי (קייט ווינסלט, 'טיטאניק') לעבוד כמו שצריך, אך ללא הואיל. עולמו של ג'ואל כמעט חרב עליו לחלוטין כאשר הוא מגלה יום אחד שקלמנטיין, שבורה מהקשר הכושל, עברה הליך פסיכיאטרי חדשני אצל ד"ר האוורד מיארזיוואק (טום ווילקיסון, 'נערה עם עגיל פנינה'), שבסופו נמחקו מראשה כל זיכרונותיה מהקשר שלה ושל גו'אל, והוחלפו בחדשים, בהם איננו מופיע. מתוסכל מהעובדה שהוא עודנו מאוהב בבחורה שכעת אפילו לא מזהה אותו, גו'אל פונה בצעד נואש לפסיכיאטר מיארזיוואק בעצמו, ומבקש לעבור הליך דומה. בשלב זה, הסרט נכנס למעמקי התודעה של ג'ואל, ואנו רואים כיצד במהלך הליך המחיקה של תאי הזיכרון של גיבורנו, כל זיכרון מהקשר המשותף שלו עם קלמנטיין, מהעדכני ביותר לישן ביותר, נמחק לחלוטין, ומוחלף גם הוא בזיכרון חדש. ואולם, ככל שהטיפול מתרחק לעבר זכרונות ישנים יותר ויותר מהקשר שלהם, ג'ואל נוכח לדעת שהיו גם היו שם כמה רגעים מאוד טובים, שהוא בהחלט איננו מעוניין למחוק כך סתם מראשו. בעוד המודע ישן, התת-מודע נלחם בטיפול ההרסני, ומתחיל להחביא את קלמנטיין בחלקים נידחים של זכרונותיו, בהם היא בכלל לא הייתה אמורה ליטול חלק מלכתחילה, מה שגורר אחריו השפעות גורליות גם על יתר זכרונותיו של ג'ואל מחייו. עוד בסרט: הופעות אורח משעשעות של אלייז'ה ווד (פרודו באגינס מ'שר הטבעות 1-3') וקירסטן דאנסט ('ספיידרמן 1-2'), כסייעני המעבדה של ד"ר מיארזיוואק.