Dos jóvenes americanas, Vicky (Rebecca Hall) y Cristina (Scarlett Johansson), llegan a Barcelona para pasar sus vacaciones de verano. Vicky es una mujer sensata y está prometida. Cristina es aventurera en el terreno emocional y sexual. En Barcelona, se ven envueltas en una serie de líos amorosos poco convencionales con Juan Antonio (Javier Bardem), un carismático pintor, que sigue manteniendo su relación con María Elena (Penélope Cruz), su temperamental ex-mujer.