Vicky et Cristina, deux jeunes Américaines, viennent passer l'été à Barcelone, chez Judy et Mark Nash. Vicky est fiancée, sage et fidèle et Cristina est son exacte opposée : passionnée et aventurière. Ainsi lorsqu'un soir, dans un restaurant, un peintre prénommé Juan Antonio les aborde pour leur proposer un séjour consacré à jouir de tous les plaisirs dans la petite île d'Oviedo, c'est Cristina qui accepte pour elles deux. Le séjour est agréable et Juan se montre charmant et délicat. Lorsqu'enfin il est question d'aborder les plaisirs du sexe, Vicky se retire et Cristina rejoint Juan dans sa chambre. Mais, avant qu'il ait pu se passer quoi que ce soit, Cristina, qui a un ulcère, fait une crise. Les jours suivants, elle reste alitée. Vicky et Juan se rapprochent et finissent par coucher ensemble. De retour à Barcelone, Vicky accepte que son fiancé vienne la rejoindre et qu'ils se marient là. Pendant ce temps, Juan entame une liaison avec Cristina. Mais bientôt, son ex-femme, la volcanique et dépressive Maria Elena, débarque dans leur vie. La confrontation est d'abord orageuse, puis débouche sur un joyeux ménage à trois. De son côté, Vicky, malgré tous ses efforts, ne parvient pas à oublier Juan. Aussi, quand Cristina, lassée du trio, le quitte, Vicky se demande si elle doit tenter sa chance. Judy organise alors une rencontre entre Juan et Vicky. Mais alors qu'ils vont succomber l'un à l'autre, Maria Elena arrive et gâche tout. Vicky et Cristina repartent à New York reprendre le cours de leur vie.