L'Alain Bonnard és el propietari del Cinéma Paradis a París, una petita sala de cinema on es projecten pel·lícules poc comercials. Li agraden les pel·lícules que fan somiar, i el públic que entra a veure-les. En particular, una espectadora que du un abric vermell i que cada dimecres seu a la fila disset.
Després d'observar-la durant mesos, l'Alain s'atreveix a convidar-la a sopar. I la història més romàntica del món es desplegarà davant dels seus ulls. Una nit de petons interminables i la promesa de reveure's el dimecres següent. Però l'Alain rep la visita de l'Allan Woods i la Solène Avril, un director de cinema nord-americà i la seva espatarrant musa, que li proposen llogar la sala durant una setmana per rodar-hi una pel·lícula. I quan arriba l'esperat dimecres, la noia de l'abric vermell no apareix per enlloc, i l'Alain, que només coneix el seu nom, intentarà esbrinar on s'ha ficat i quina relació té tot plegat amb el rodatge de la pel·lícula.