ニューヨーカー誌の調査員ソフィ（アマンダ・セイフライド）は、婚約者ヴィクター（ガエル・ガルシア・ベルナル）とともに旅行でイタリアのヴェローナを訪れる。だが、料理人のヴィクターは、間もなく開店する自分のレストランのためにワインや食材の仕入れに夢中。ほったらかしにされたソフィは彼と別行動を取る。ヴェローナには、『ロミオとジュリエット』のジュリエットの生家と言われる家があり、恋の悩みを綴ったジュリエット宛ての手紙が、世界中から年5000通も届いていた。ジュリエットの家を訪れたソフィは、壁一面の“ジュリエット・レター”に目を見張る。やがて、カゴを手にした女性が、手紙を集めて去ってゆくと、好奇心に駆られたソフィはその後を追う。そこでは、“ジュリエットの秘書”と呼ばれる女性たちが集めた手紙に返事を書いていた。偶然、壁の中に眠っていた50年前の手紙を発見したソフィは、返事を書きたいと申し出る。その手紙の差出人は、クレア（ヴァネッサ・レッドグレイヴ）という英国の女性。50年前に訪れたイタリアでロレンツォという青年と恋に落ちた彼女は、両親の反対を恐れて1人で帰国してしまったのだ。それから50年、思いがけずにジュリエットからの手紙を受け取ったクレアは、改めてロレンツォを探すためにイタリアへやってくる。彼女の想いに感銘を受けたソフィと旅に反対するクレアの孫チャーリー（クリストファー・イーガン）も同行し、3人の旅が始まる。当のロレンツォはなかなか見つからなかったものの、それでも数日間、クレアは旅を楽しむ。3人は次第に互いの人生を語り合い、絆を深めてゆく。しかし、遂にロレンツォは見つからないまま、帰国の時が訪れる。そして最終日、ブドウ畑を通りかかったクレアは目を疑う。不安と後悔、そして期待に揺さぶられるクレア。ジュリエットからの手紙を信じてイタリアを訪れた彼女が、最後に見つけたものとは……。