Sophie (Amanda Seyfried) y Victor (Gael García Bernal), una joven pareja que pasa sus vacaciones en Italia, recibe una carta dirigida a una tal Julieta. La remitente es Claire (Vanessa Redgrave), una mujer que busca a un hombre llamado Lorenzo (Franco Nero) con el que tuvo, cuando era joven, una aventura durante unas vacaciones en Italia. Sophie emprenderá entonces un viaje por la Toscana para encontrar al antiguo amor de Claire.