L'histoire se déroule à Paris en 2010. Gil Pender, unscénariste qui souffre d'un manque de créativité, et Inez, sa fiancée, sont en vacances àParis avec les parents d'Inez, riches etconservateurs. Gil se démène pour finir son premier roman, qui traite d'un homme travaillant dans un magasin d'antiquités. Inez lui propose d'abandonner son rêve et l'encourage à continuer des scénarios, qui lui permettent le succès. Gil pense à emménager à Paris, ville qu'il trouve magnifique sous la pluie, au grand malheur d'Inez, qui compte rester àMalibu. Ils rencontrent par hasard un ancien ami d'Inez, Paul, homme pédant, et sa femme Carol. Paul parle de Paris de manière très condescendante, émettant des remarques pas toujours fiables. Il va d'ailleurs jusqu'à contredire une guide aumusée Rodin, certain que ses connaissances surRodin sont plus étendues que celles du guide. Inez admire Paul, que Gil trouve pour sa part imbuvable.
Un soir, lors d'une dégustation devins, Gil se soûle et décide de marcher dans les rues de Paris pour rentrer à l'hôtel, tandis qu'Inez rentre en taxi avec Paul. Gil s'arrête pour demander son chemin vers minuit quand une voiture desannées 1920 s'arrête devant lui et que les passagers, également habillés dans la mode des années 1920, lui demandent de se joindre à eux. Il arrive à une soirée organisée pourJean Cocteau, où se trouvent des personnes célèbres du début duXXe siècle :Cole Porter et sa femme Linda Lee Porter, ainsi queZelda etScott Fitzgerald. Zelda s'ennuie à la soirée et persuade Scott et Gil de partir avec elle. Ils s'arrêtent d'abord au Bricktop's, où danseJoséphine Baker, puis dans un café, où Gil fait la rencontre d'Ernest Hemingway et deJuan Belmonte. Zelda se dispute avec Hemingway quand il lui dit que son roman était faiblement écrit. Elle part alors avec Belmonte àSaint Germain, suivie de près par Scott, qui n'apprécie pas l'idée de voir sa femme seule avec letoréador. Après une discussion sur l'écriture, Hemingway propose à Gil de faire lire son roman àGertrude Stein. Gil sort du café pour aller chercher son manuscrit à l'hôtel, mais rebrousse chemin et se rend compte qu'il est retourné en 2010 et que le café est devenu unelaverie.
La nuit suivante, Gil veut partager son expérience de voyage temporel avec Inez, mais elle part avant que minuit ne sonne. Peu après, la même voiture que la veille réapparaît. Gil rejoint Hemingway qui s'en va retrouver des connaissances. Il rencontre alors Gertrude Stein à son appartement, ainsi quePablo Picasso et Adriana, sa maîtresse. Cette dernière et Gil sont tout de suite attirés l'un envers l'autre. Adriana lui avoue qu'elle aime le début de son roman et qu'elle a toujours été attirée par le passé, et plus précisément laBelle Époque.
Gil continue de voyager dans le temps chaque nuit. Inez se demande ce qu'il peut bien faire toute la nuit, et son père, soupçonneux, engage undétective privé pour le suivre. Gil est en conflit intérieur entre son engagement avec Inez et l'attirance qu'il ressent pour Adriana, alors qu'elle est partie en voyage avec Picasso. Il confie son expérience de voyage temporel àSalvador Dalí,Man Ray etLuis Buñuel. Ceux-ci, en tant que surréalistes, ne trouvent rien d'anormal au fait qu'il puisse venir du futur.
Chacun discute de la relation impossible de Gil et Adriana et de l'art qui découle de la romance. Gil propose à Buñuel un scénario qui le laisse réfléchir sur son but.
Inez et ses parents partent aumont Saint-Michel tandis que Gil reste à Paris et rencontre Gabrielle, une vendeuse d'antiquités admiratrice de lagénération perdue. Il lui achète un disque deCole Porter, puis trouve chez un bouquiniste le journal intime d'Adriana qui date desannées 1920, dans lequel il découvre qu'elle était amoureuse de lui. Il y lit également un rêve d'Adriana, où il lui offre des boucles d'oreilles avant de faire l'amour avec elle. Gil essaie alors de prendre une paire de boucles d'oreille d'Inez pour les offrir à Adriana, mais il est rattrapé par Inez qui rentre à l'hôtel plus tôt que prévu.
Gil achète des boucles d'oreille à Adriana. Il retourne dans le passé et la retrouve à une soirée. Il l'emmène se balader, ils s'embrassent et il lui offre les boucles d'oreille. Alors qu'elle les met, une calèche tirée par un cheval arrive dans la rue, dans laquelle un couple les invite à monter. La calèche les emmène à la Belle Époque, qu'Adriana considère comme « l'âge d'or » de Paris. Ils vont d'abord chezMaxim's, puis auMoulin Rouge, où ils rencontrentHenri de Toulouse-Lautrec,Paul Gauguin etEdgar Degas. Gil leur demande alors quelle est la meilleure époque de Paris selon eux, ce à quoi ils répondent laRenaissance. On offre à Adriana un travail en tant quecostumière dans unballet : elle propose alors à Gil de rester dans cette époque. Mais Gil, repensant à sa discussion avec les artistes, a une épiphanie et se rend compte que chaque époque considérée comme « l'âge d'or » devient un jour un présent ennuyeux, et qu'il est donc préférable de vivre dans son propre présent. Cependant, Adriana préfère rester dans les années 1890, et ils se séparent.
Gil relit les deux premiers chapitres de son roman et récupère son manuscrit. Gertrude Stein lui fait des louanges et lui dit qu'Hemingway aime son écriture, mais se demande pourquoi le personnage principal ne réalise pas que sa fiancée (inspirée d'Inez) la trompe avec un des personnages, très pédant (inspiré de Paul).
Gil, revenu en 2010, fait face à Inez. Elle avoue l'avoir trompé avec Paul, mais dit que ce n'était qu'un flirt sans substance. Gil et Inez se séparent et Gil décide d'emménager à Paris. Pendant la dispute, Gil quitte l'appartement, après quoi le père d'Inez révèle à cette dernière qu'il a fait suivre Gil par un détective privé qui a disparu. On voit alors que le détective s'est retrouvé àVersailles sous le règne deLouis XIV : aux dernières nouvelles, il a les gardes royaux à ses trousses, à qui l'on a ordonné de lui couper la tête.
En marchant près de laSeine aux environs de minuit, Gil retrouve Gabrielle. Il commence à pleuvoir, et tous deux révèlent leur amour de Paris sous la pluie. Les deux personnages commencent alors à se balader ensemble.
En, leCNC lui octroie un « crédit d'impôt international »[3] destiné à attirer les productions étrangères.De la sorte, le tournage a pu commencer en juillet 2010. Des scènes du film ont été tournées le 6 août 2010 àGiverny, près de Vernon.[réf. souhaitée]
Lors de sa sortie, le film est plutôt bien accueilli par la critique française :
Télérama traite du film dans une rubrique à part,L'Événement. La critique dePierre Murat parle d'un « chef-d'œuvre » :« Certains grincheux grinceront, sans doute, devant ce nouveau Woody qui en rappelle d'autres. Et alors ? Comme tous les grands, comme ses maîtres -Bergman etTchekhov -, Woody tourne des variations sur un thème unique : des conséquences de l'insatisfaction sur le comportement tragi-comique de l'être humain. »[11]
De son côté,L'Express évoque« une très bonne surprise[12] ».Le Figaro qualifie le film de « magique[13] ».