}
 
        h := cache.NewHash("moduleIndex")
+       // TODO(bcmills): Since modules in the index are checksummed, we could
+       // probably improve the cache hit rate by keying off of the module
+       // path@version (perhaps including the checksum?) instead of the module root
+       // directory.
        fmt.Fprintf(h, "module index %s %s %v\n", runtime.Version(), indexVersion, modroot)
        return h.Sum(), nil
 }
 
 // dirHash returns an ActionID corresponding to the state of the package
 // located at filesystem path pkgdir.
-func dirHash(pkgdir string) (cache.ActionID, error) {
+func dirHash(modroot, pkgdir string) (cache.ActionID, error) {
        h := cache.NewHash("moduleIndex")
+       fmt.Fprintf(h, "modroot %s\n", modroot)
        fmt.Fprintf(h, "package %s %s %v\n", runtime.Version(), indexVersion, pkgdir)
        entries, err := fsys.ReadDir(pkgdir)
        if err != nil {
                pkg *IndexPackage
                err error
        }
-       r := pcache.Do(pkgdir, func() any {
-               id, err := dirHash(pkgdir)
+       r := pcache.Do([2]string{modroot, pkgdir}, func() any {
+               id, err := dirHash(modroot, pkgdir)
                if err != nil {
                        return result{nil, err}
                }
 
--- /dev/null
+[short] skip  # sleeps to make mtime cacheable
+
+go mod init example
+
+cd subdir
+go mod init example/subdir
+sleep 2s  # allow go.mod mtime to be cached
+
+go list -f '{{.Dir}}: {{.ImportPath}}' ./pkg
+stdout $PWD${/}pkg': example/subdir/pkg$'
+
+rm go.mod  # expose ../go.mod
+
+go list -f '{{.Dir}}: {{.ImportPath}}' ./pkg
+stdout $PWD${/}pkg': example/subdir/pkg$'
+
+-- subdir/pkg/pkg.go --
+package pkg