グリーティングカードの会社に勤めるライター、トム・ハンセン（ジョセフ・ゴードン＝レヴィット）が、初めてサマー・フィン（ズーイー・デシャネル）に会ったのは、会社のボスが新しいアシスタントとして彼女を紹介した時だった。それがサマーとの1日目。トムは一目で恋に落ちた。4日目。エレベーターの中でトムのヘッドフォンから漏れる音を聴いたことから、次第に会話を交わすようになる二人。28日目。カラオケパーティの席で、トムはサマーに恋人がいないことを知るが、彼女は愛を信じていなかった。しかし、サマーは「友達になって」とトムにキスをする。34日目。二人は一緒にIKEAへ行き、展示されているソファに並んで腰かけたり、ベッドに寝そべったりして新婚夫婦ごっこを楽しんだ。「真剣につきあう気はない」と言うサマーに、トムは「気楽な関係でいい」と答える。109日目。サマーが初めて自分の部屋にトムを招き入れ、トムは、二人の間を隔てる壁が一気に低くなった気がした。259日目。バーでサマーに言い寄る男をトムが殴ったら、逆にやり返されてしまう。「二度とこんなことをしないで」と怒るサマー。二人の間に埋められない溝があることは確かだった。しばらくして、トムはサマーが会社を辞めたことを知る。悪友のポール（マシュー・グレイ・ガブラー）やマッケンジー（ジェフリー・エアンド）の勧めに従い、新しい恋人をつくろうとするトム。だが、トムはどうしてもサマーが忘れられない。402日目。同僚の結婚式へ向かう電車内で、トムはサマーと一緒になり、サマーからガーデンパーティに誘われる。408日目のパーティ当日、トムは彼女の心が自分から完全に離れてしまったことを悟る。その後、トムは会社を辞め、夢だった建築家の道へ進むべく就職活動を始める。お気に入りのベンチに座って、未来の自分を想うトム。と、そこにサマーが現れた。長かった“500日の夏”がようやく終わろうとしていた……。