En una residencia de ancianos, un hombre mayor (James Garner) lee a una mujer (Gena Rowlands) una historia de amor escrita en su viejo libro de notas. El libro cuenta la vida en los años 40 de Noah Calhoun (Ryan Gosling) y Allie Nelson (Rachel McAdams), dos jóvenes adolescentes de Carolina del Norte que, a pesar de vivir en dos ambientes sociales muy diferentes, pasaron un verano idílico juntos y profundamente enamorados, antes de ser separados, primero por sus padres, y más tarde por la Segunda Guerra Mundial.

Cuatro espías de alta tecnología industrial roban un microchip ultrasecreto y confiadamente lo ocultan en un coche de juguete de control remoto. Por causa de una confusión de equipajes en el aeropuerto, la anciana señora Hess recoge el juguete y se lo regala a su vecino de ocho años Alex. Los espías desearán recuperar el valioso chip a toda costa, pero Alex está preparado para darles una cálida bienvenida.