Dos jóvenes norteamericanas, Vicky (Rebecca Hall) y Cristina (Scarlett Johansson) van a Barcelona a pasar unas vacaciones de verano. Vicky es sensible y tiene intención de casarse; Cristina es emocional y busca aventuras sexuales. In Barcelona, ambas se ven envueltas en una relación poco convencional con Juan Antonio (Javier Bardem), un carismático pintor que todavía tiene algo con su tempestuosa ex-mujer, María Elena (Penélope Cruz).