Los Angeles, 1928. Op een dag verdwijnt Walter, het zoontje van Christine Collins. Ze schakelt de politie in die haar pas laat serieus neemt.
Als Cal Weaver (Steve Carell) erachter komt dat zijn vrouw Emily (Julianne Moore) is vreemdgegaan en wil scheiden, stort zijn 'perfecte' leventje als een kaartenhuis in elkaar. Zijn vrije avonden besteedt Cal mokkend en alleen aan de bar, totdat player Jacob Palmer (Ryan Gosling) hem onder zijn hoede neemt. Om hem te helpen over zijn liefdesverdriet heen te komen, introduceert Jacob Cal in de wereld van vrijgezelle vrouwen, stoere drankjes, en een nieuwe kledingstijl die niet bij de degelijke warenhuizen te vinden is. Ondertussen worstelen zijn kids met hun eigen liefdesperikelen en komt Cal erachter dat je je looks wel een make-over kan geven, maar je hart niet...
Kate McKay is een zakenvrouw die niet meer gelooft in de liefde. Op een dag stelt haar ex Stuart haar voor aan zijn gast, Leopold. Stuart zegt dat Leopold een graaf is uit de 19e eeuw, die hier gekomen is door een breuk in het tijd-ruimte continuüm. Kate gelooft hier niets van, en denkt dat Leopold een acteur is die niet weet wanneer hij moet stoppen met het spelen van zijn personage.
De film volgt Vince, een jonge klusjesman die door een vreemde speling van het lot instructies in handen krijgt die voor iemand anders bedoeld zijn. Vince besluit ze zelf op te volgen, onwetend dat hij gevolgd wordt door de messcherpe rechercheur Larry Mullane. Aan het eind van de aanwijzingen bereikt hij een afgelegen huis waar voor veel geld illegale weddenschappen worden afgesloten.
Romulus (Eric Bana), een Roemeense immigrant, probeert het beste te maken van zijn leven op het Australische platteland. Voor zijn 10-jarige zoontje Rai is hij een grote held, voor zijn vrouw Christina (Franka Potente) is hij een mislukkeling. Christina heeft het gezin verlaten en woont in Melbourne. Wanneer zij samen met haar minnaar terugkeert, ontstaat een verwarrende en moeilijke periode voor vader en zoon. Romulus houdt zich sterk, maar naarmate de geestelijke toestand van Christina labieler wordt, ziet Rai zijn vader veranderen in een emotioneel wrak. Is er verlossing mogelijk?
In 1905 verhuist Alice naar de Pacific Northwest. Tijdens haar tocht volgt zij een mysterieuze man naar een konijnenhol. Alice komt terecht in Wonderland, een donkere en nieuwsgierige wereld met bijzondere karakters uit de VS rond 1900.