Dos jóvenes norteamericanas, Vicky (Rebecca Hall) y Cristina (Scarlett Johansson), van a Barcelona a pasar unas vacaciones de verano. Vicky es sensible, racional y tiene intención de casarse; Cristina es apasionada y busca aventuras emocionantes; no sabe muy bien lo que quiere, pero sabe perfectamente lo que no quiere. En Barcelona, ambas se ven envueltas en una relación poco convencional con Juan Antonio (Javier Bardem), un carismático pintor vinculado sentimentalmente a su tempestuosa ex-mujer, María Elena (Penélope Cruz).