Historien starter inne i hovedpersonens fantasi og overlater til publikum å finne ut hvor mye av den påfølgende handlingen som foregår utenfor hans hjerne. Filmen leker med science fiction-sjangeren, og overlapper hva som er virkelig, og hva som er drøm. Filmen strømmer over av intrikate optiske illusjoner og er fylt til randen av det vittige visuelle fiksfakseri regissør Michel Gondry har gjort seg verdenskjent for.

Handlingen kretser rundt den fremadstormende og kreative artisten Stéphane som nettopp har flyttet til Paris. Han begynner i en lovende jobb hans mor har skaffet til veie, men blir snart skuffet når den viser seg å være like kreativ som å brette ut gamle papirfly. Stéphane forelsker seg raskt i nabojenta, etter at han ikke klarer å sjarmere venninnen i senk. I søvne leder han derimot sitt eget TV-program og snart dukker begge jentene opp og han fanges i et intrikat trekantdrama. VITENSKAP OM DRØMMER er en romantisk komedie langt utenom det vanlige og et fantastisk stup inn i en kreativ, men usikker ung manns fantasi.