En Wyoming, en 1963, los vaqueros Ennis Del Mar y Jack Twist son contratados por Joe Aguirre para pastorear sus ovejas durante el verano en los pastos de Brokeback Mountain. Después de una noche de borrachera, Jack se insinúa a Ennis. Aunque al principio se muestra reacio, Ennis se muestra receptivo y Jack y él tienen relaciones sexuales en su tienda. A pesar de que Ennis le dice a Jack que fue un incidente aislado, desarrollan una relación sexual y emocional. Antes de separarse, Ennis y Jack tienen una pelea que los deja a ambos ensangrentados. Más tarde, Ennis se casa con su prometida Alma Beers y tiene dos hijas con ella. Jack vuelve al verano siguiente en busca de trabajo, pero Aguirre, que había observado a Jack y Ennis en la montaña, se niega a contratarlo de nuevo. Jack se traslada a Texas, donde conoce a la jinete de rodeo Lureen Newsome; se casan y tienen un hijo.

Tras cuatro años separados, Jack visita a Ennis. Al encontrarse, los dos se besan apasionadamente, lo que es presenciado por una aturdida Alma. Jack aborda el tema de crear una vida con Ennis en un rancho, pero Ennis se niega, ya que no está dispuesto a abandonar a su familia y le atormenta un recuerdo de la infancia en el que su padre le mostró el cuerpo de un hombre que fue torturado y asesinado por sospecha de homosexualidad. Ennis y Jack siguen viéndose con poca frecuencia para ir a pescar mientras sus respectivos matrimonios se deterioran. Lureen abandona el rodeo y se dedica a los negocios con su padre, lo que hace que Jack trabaje en ventas. Alma y Ennis se divorcian en 1975. Al enterarse del divorcio, Jack conduce hasta Wyoming y le dice a Ennis que deberían vivir juntos, pero éste se niega a alejarse de sus hijos. Molesto, Jack encuentra consuelo con prostitutas en México.

Alma acaba enfrentándose a Ennis sobre la verdadera naturaleza de su relación con Jack. Los dos se pelean y Ennis deja de tener contacto con Alma. Ennis tiene una relación romántica de corta duración con una camarera llamada Cassie. Jack y Lureen se hacen amigos de otra pareja, Randall y Lashawn Malone, y se da a entender que Jack y Randall tienen un breve romance. Al final de un viaje de pesca, Ennis le dice a Jack que no podrá volver a verlo antes de noviembre debido a las exigencias del trabajo. La pareja discute, culpándose mutuamente por no estar juntos. Ennis empieza a llorar y Jack le abraza.

Un tiempo después, Ennis recibe una postal devuelta que había enviado a Jack, con el sello "Deceased". Llama a Lureen, que le dice que Jack murió en un accidente después de que le explotara una rueda de coche en la cara, aunque Ennis visualiza la muerte de Jack como un violento asesinato. Después de que Lureen le diga que Jack quería que sus cenizas fueran esparcidas en Brokeback Mountain, Ennis visita a los padres de Jack con la esperanza de llevar a cabo la petición. El padre de Jack se niega y sostiene que las cenizas de Jack serán enterradas en una parcela familiar. Ennis va a la habitación de Jack, donde encuentra en el armario las camisas que ambos llevaban durante su pelea, la suya dentro de la de Jack. Ennis se lleva las camisas a la cara, inhala profundamente y llora en silencio. La madre de Jack le permite quedarse con las camisas.

Más tarde, la hija de Ennis, de 19 años, Alma Jr., llega a su caravana para decirle que está prometida. Ella le pide su bendición y le invita a la boda, y tras algunas dudas, él acepta asistir. Una vez que Alma Jr. se va, Ennis va al armario donde las dos camisas cuelgan juntas. Junto a ellas, clavada en la puerta del armario, hay una postal de Brokeback Mountain. Con lágrimas en los ojos, mira fijamente los recuerdos y dice: "Jack, te juro..."