En febrero de 1961, Llewyn Davis es un cantante folk en apuros en el Greenwich Village de Nueva York. Su reciente álbum en solitario Inside Llewyn Davis no se vende; no tiene dinero y duerme en los sofás de amigos y conocidos. Una noche, después de tocar en el Gaslight Café, recibe una paliza en el callejón que hay detrás del café, por razones que no son evidentes, a manos de un hombre sombrío con sombrero y traje y acento sureño.

Davis se despierta en el apartamento de dos amigos, los Gorfein. Al salir, su gato se escapa y se queda encerrado en el apartamento. Davis lo lleva al apartamento de Jim y Jean Berkey, donde Jean acepta a regañadientes que Davis se quede a pasar la noche, a pesar de que ya se lo había prometido a otro aspirante a cantautor folk, Troy Nelson, un joven militar destinado en el cercano Fort Dix. Jean informa a Davis de que está embarazada y que Davis podría ser el padre. A la mañana siguiente, Davis abre una ventana y el gato de los Gorfein se escapa del apartamento de los Berkey. Más tarde, Jean le pide a Davis que le pague un aborto, aunque le molesta que pueda ser el hijo de Jim el que pierda.

Davis visita a su hermana con la esperanza de pedirle dinero. En lugar de eso, ella le da una caja con sus pertenencias, que él le dice que deje fuera, junto a la acera. Ella menciona que él podría ganar dinero volviendo a la Marina Mercante. Por invitación de Jim, Davis graba una canción novedosa de temática espacial con Jim y Al Cody. Al necesitar dinero para el aborto, Davis acepta un pago inmediato de 200 dólares en lugar de los derechos de autor. Davis busca una cita para el aborto, sólo para saber que el pago no será necesario, ya que tiene crédito con la oficina del ginecólogo debido a que ya había pagado por el mismo procedimiento dos años antes en nombre de otra mujer que no siguió adelante ni informó a Davis de su decisión de criar al niño en su ciudad natal de Akron, Ohio.

Mientras habla con Jean en un café, Davis ve lo que cree que es el gato de los Gorfein, lo captura y se lo devuelve esa misma noche. Cuando le piden que interprete una canción después de la cena, toca de mala gana "Fare Thee Well", una canción que había grabado con su antiguo compañero, Mike. Cuando la señora Gorfein empieza a cantar la armonía de Mike, Davis se enfada y le dice que no lo haga. Ella abandona la mesa llorando, y luego vuelve con el gato, habiéndose dado cuenta de que es del sexo equivocado y, por tanto, no es suyo. Davis se va, llevándose el gato.

Davis viaja con dos músicos a Chicago: el lacónico poeta beat Johnny Five y el músico de jazz Roland Turner. Durante el viaje, Davis revela que su compañero musical, Mike Timlin, ha muerto por suicidio.

En un restaurante de carretera, Roland se desmaya por una sobredosis de heroína. Los tres se detienen en el arcén de la carretera para descansar. Cuando un agente de policía les dice que sigan adelante, sospecha que Johnny está borracho y le dice que salga del coche. Johnny se resiste y es detenido. Sin las llaves, Davis abandona el coche, dejando atrás al gato y al inconsciente Roland. En Chicago, Davis hace una audición para Bud Grossman, quien dice que Davis no es apto para ser solista pero sugiere que podría encajar en un nuevo trío que Grossman está formando. Davis rechaza la oferta y hace autostop para volver a Nueva York. Conduciendo mientras el dueño del coche duerme, atropella a un gato; éste cojea lentamente hacia el bosque mientras Davis lo observa.

De vuelta a Nueva York, Davis utiliza sus últimos 148 dólares de cuotas atrasadas para reincorporarse al sindicato de la Marina Mercante, y visita a su padre enfermo. Busca su licencia de marinero para poder embarcarse, pero estaba en la caja que le dijo a su hermana que tirara a la basura. Davis vuelve a la sala del sindicato para reponerla, pero no puede pagar la cuota de 85 dólares. Visita a Jean y ésta le dice que le ha conseguido una actuación en el Gaslight.

En el Gaslight, Davis se entera de que Pappi, el gerente, también se acostó con Jean. Davis abuchea borracho a una mujer mientras actúa en el escenario y es expulsado. Va al apartamento de los Gorfein, donde le reciben amablemente. Allí se entera de que la nueva canción puede ser un gran éxito con enormes derechos de autor. Se sorprende al ver que su gato real, Ulises, ha encontrado el camino a casa.

En una versión ampliada de la escena inicial de la película, Davis actúa en el Gaslight. Pappi se burla de Davis por haber interrumpido al cantante de la noche anterior y le dice que un amigo suyo le espera en el callejón. Mientras se marcha, Davis observa la actuación de un joven Bob Dylan. Detrás del Gaslight, Davis es golpeado por el hombre trajeado en la sombra por haber interrumpido cruelmente a su esposa, la artista de la noche anterior. Davis ve cómo el hombre se marcha en un taxi, diciéndole "Au revoir".