La agente special del FBI Illeana Scott (Angelina Jolie), especializada en perfiles psicológicos, es reclamada por la policía canadiense francófona de Montreal para trata de capturar a un asesino en serie que parece asumir la identidad de sus víctimas. En la investigación resulta de gran ayuda la aparición de James Costa (Ethan Hawke), un testigo que vió al asesino justo cuando estaba con una de sus víctimas.

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.