Setelah selamat dari kecelakaan mobil yang merenggut nyawa istrinya, Nolan Wright (Mamoudou Athie) harus menjalani hidup sebagai ayah tunggal bagi putrinya, Ava (Amanda Christine). Meski tidak mengalami luka fisik serius, Nolan kehilangan sebagian besar ingatannya dan kesulitan menjalani aktivitas sehari-hari. Kondisi itu membuatnya terancam kehilangan pekerjaan sekaligus dianggap lalai dalam mengurus putrinya.

Atas saran sahabatnya, Dr. Gary Yeboah (Tosin Morohunfola), Nolan mengikuti terapi eksperimental yang dipimpin ahli saraf bernama Dr. Lilian Brooks (Phylicia Rashad). Melalui teknologi bernama Black Box, ia berusaha menelusuri kembali ingatan yang hilang. Namun dalam setiap sesi, Nolan terus dihantui sosok mengerikan yang menghalanginya mengakses masa lalu.

Seiring terapi berjalan, Nolan mulai mendapatkan kembali potongan-potongan memori yang membantunya memperbaiki hubungannya dengan Ava. Namun, semakin dalam ia menyelami pikirannya, semakin banyak kejanggalan yang muncul. Nolan mulai yakin ada rahasia besar yang selama ini disembunyikan darinya.

Kebenaran mengejutkan akhirnya terungkap ketika Nolan mengetahui bahwa dirinya sebenarnya bukan Nolan Wright. Kesadaran yang ada dalam tubuhnya adalah milik Thomas Brooks (Charmaine Bingwa), putra Dr. Brooks yang telah meninggal. Sang dokter ternyata menggunakan teknologi Black Box untuk memindahkan kesadaran anaknya ke tubuh orang lain demi menghidupkannya kembali.

Saat Dr. Brooks berusaha menghapus sisa kesadaran Nolan sepenuhnya, Ava dan Dr. Yeboah berhasil menggagalkan rencana tersebut. Dalam pertarungan batin yang menentukan, Thomas memilih melepaskan kendali dan membiarkan Nolan kembali menjadi dirinya sendiri. Black Box menghadirkan thriller psikologis penuh misteri tentang identitas, kehilangan, dan batas etika teknologi dalam menghidupkan kembali seseorang.