Alvy Singer, un tipo algo neurótico, trabaja como humorista en clubs nocturnos. A sus 40 años, tras romper con Annie, su última novia, reflexiona sobre su vida, rememorando sus amores, sus matrimonios, pero muy en especial su relación con Annie, a la que conoció en una cancha de tenis. Al final, llega a la conclusión de que son sus manías y obsesiones las que siempre acaban arruinando su relación con las mujeres.

La historia se centra en William, propietario de una tienda de libros en el popular barrio londinense de Notting Hill, y Anna Scott, la estrella más rutilante del firmamento cinematográfico. Desde el momento en que la actriz entra en la tienda, William se embarca en un cortejo complicado, para el cual cuenta con la inestimable ayuda de sus inseparables amigos, entre los que destaca su compañero de piso el singular Spike, que observa con asombro e incredulidad cómo el bueno de William tiene un romance con una mujer inalcanzable para cualquier otro ser humano.

Dos ancianos actores de vodevil, conocidos en otro tiempo como "Lewis y Clark", llegaron a odiarse tanto cuando trabajaban juntos que, fuera del escenario, ni siquiera se dirigían la palabra. Cuando el sobrino de Clark intenta reunirlos de nuevo para su última actuación en televisión, los dos tendrán que hacer enormes esfuerzos para poder soportarse civilizadamente.

Abandonado en mitad de una película por la estrella protagonista, sin tiempo para reaccionar y a punto de arruinarse, Victor decide crear a Simone, una actriz virtual generada por ordenador que sustituirá a la protagonista. La película es un gran éxito y Simone se convierte en un auténtico fenómeno mundial, iniciando una espectacular carrera como actriz. Sólo hay un problema: nadie salvo él sabe que Simone no existe, y después de engañar al estudio y a millones de personas ya es demasiado tarde para confesarlo públicamente