Dos joves nord-americanes, Vicky (Rebecca Hall) i Cristina (Scarlett Johansson) van a Barcelona a passar unes vacances d'estiu. Vicky és sensible, racional i té intenció de casar-se; Cristina és emocional i cerca aventures emocionants, no sap el que vol, només sap el que no vol. A Barcelona, ambdues es veuen embolicades en una relació poc convencional amb Juan Antonio (Javier Bardem), un carismàtic pintor vinculat emocionalment a la seva tempestuosa exdona, María Elena (Penélope Cruz).