Nuoret amerikkalaisnaiset Vicky ja Cristina tulevat Barcelonaan kesälomalle. Vicky on jo vakaasti kihloissa ja muutenkin järkevä, Cristina puolestaan seikkailunhaluinen ja railakas. Barcelonassa heitä piirittää karismaattinen taiteilija Juan Antonio, mutta kuvioissa on edelleen myös tämän äkkipikainen ex-vaimo Maria Elena. Espanjassa kuvattu Vicky Cristina Barcelona on Woody Allenin avoin kunnianosoitus rakkaudelle kaikissa sen ilmenemismuodoissa.