301, 302 explora la relación de Song-hee, un chef que vive en el apartamento 301, y Yoon-hee, una escritora anoréxica que vive en el apartamento 302. La película comienza con la visita de un detective a Song-hee para investigar la desaparición de Yoon-hee. El detective interroga a Song-hee sobre la vida personal de Yoon-hee, y ésta afirma que a Yoon-hee no le interesan ni la comida ni el sexo. A continuación, registra el apartamento vacío de Yoon-hee. La película muestra a Yoon-hee en los espacios alrededor de su casa que el detective explora. El detective encuentra su medicina para la anorexia y su obra escrita sobre el tema del sexo.

La película se remonta a cuando Song-hee se mudó al apartamento 301. Yoon-hee evita interactuar con ella y prefiere que la dejen sola. Song-hee comienza la construcción de su nuevo apartamento y Yoon-hee experimenta flashbacks de su experiencia de abuso sexual. Hay un flashback de Song-hee empacando sus pertenencias después de divorciarse de su marido. Él critica el aumento de peso de Song-hee y cuando la película vuelve a situarla en el apartamento 301, ella expresa su deseo de perder peso.

Song-hee visita entonces a Yoon-hee con un plato de comida que ha preparado. Yoon-hee no se come la comida y en su lugar vomita en el retrete. Mientras tanto, Song-hee celebra su independencia de su ex marido y se compromete a ponerse a dieta. Le lleva comida a Yoon-hee por segunda vez. Intenta que Yoon-hee coma salchichas, a lo que ella se niega. Song-hee le pregunta si ha sido violada y luego le expresa su amor por el sexo. Yoon-hee está visiblemente molesta por la comida y vuelve a vomitar, lo que ofende a Song-hee, que supone que Yoon-hee piensa que es repugnante por gustarle el sexo. La película pasa por una recopilación de Song-hee cocinando y entregando comida a Yoon-hee, que posteriormente tira la comida a la basura y vomita. Song-hee pilla a Yoon-hee sacando la basura y ve toda la comida que ha cocinado en la bolsa de basura. Saca la comida de la bolsa de basura y la pone en los platos delante de Yoon-hee en un intento de obligarla a comer, pero ésta vuelve a vomitar. Song-hee lleva a Yoon-hee a su apartamento y se disculpa por sus acciones y luego obliga a Yoon-hee a comer contra su voluntad.

La película muestra un flashback de la vida de Yoon-hee viviendo con su madre y su padrastro en su carnicería familiar. Su padrastro la agredía sexualmente en repetidas ocasiones. Ella recurre a esconderse de su familia en un congelador, un niño de un cliente la ve salir del congelador y decide entrar también en él. El niño muere congelado. La película se traslada entonces a Song-hee y Yoon-hee en el apartamento 301 y Song-hee finalmente entiende el razonamiento de Yoon-hee para no comer. Se compromete a hacer comida que Yoon-hee pueda comer, pero Yoon-hee sigue vomitando en respuesta a la comida.

La película se remonta a la conversación de Song-hee con el detective y se revela que ella mató, cocinó y alimentó con su perro mascota a su marido, lo que causó su divorcio. Otro flashback muestra a Song-hee todavía casada con su marido y viviendo su vida como ama de casa. Se les muestra como una pareja feliz que se entrega a la comida y al sexo. Su relación se deteriora y la relación de Song-hee con la comida cambia cuando empieza a comer en exceso y a ganar peso. Descubre que su marido tiene una aventura y se resiente por su perro mascota, que recibe más atención que ella por parte de su marido. Le sirve una comida y revela el cráneo del perro en una olla. La película salta entonces a su divorcio y a la decisión del funcionario de que el marido de Song-hee tenga que pagar su pensión alimenticia y su trabajo.

Song-hee habla con Yoon-hee sobre su deseo de encontrar nuevos ingredientes para cocinar y el placer que le producía cocinar a su perro. Más tarde, Yoon-hee le pregunta si el perro ha sufrido y se desnuda delante de Song-hee. Al preguntarle si parece "insípida", Song-hee la estrangula hasta la muerte y descuartiza su cuerpo. La siguiente escena muestra a Song-hee cenando y sueña con Yoon-hee delante de ella comiendo también. La puerta de la nevera se abre para mostrar la cabeza cortada de Yoon-hee. La pantalla se desvanece a negro y aparece la frase "Entonces, ¿ha terminado su soledad?". La escena final muestra a Yoon-hee hablando con Song-hee, que yace desnuda en su cama.