Primera parte: La partida (noviembre de 1957)

Madame Émery y su hija Geneviève, de 17 años, tienen una pequeña tienda de paraguas en la ciudad costera de Cherburgo, en Normandía. Guy es un joven mecánico de automóviles que vive y cuida de su tía enferma y de su madrina Élise. Aunque la madre de Geneviève lo desaprueba, Guy y Geneviève están profundamente enamorados; planean casarse y llamar a su primer hijo Françoise. Al mismo tiempo, Madeleine, una joven tranquila que cuida de la tía de Guy, está secretamente enamorada de éste.

Guy es reclutado para servir en la guerra de Argelia. La noche antes de partir, él y Geneviève se juran amor eterno y tienen relaciones sexuales, presumiblemente por primera vez.

Segunda parte: La ausencia (enero-abril de 1958)

Geneviève se entera de que está embarazada y escribe a Guy, pero sus respuestas son esporádicas. Su madre le dice que renuncie a él, que la ha olvidado. Geneviève es cortejada por Roland Cassard, un joyero parisino amable, joven y muy rico, que quiere casarse con ella a pesar de su embarazo. En una de las conexiones entre la trilogía de películas de Demy, Roland ya había cortejado sin éxito al personaje principal en la anterior Lola (1961); ahora cuenta una versión de esta historia a Madame Émery. Madame Émery insta a Geneviève a ser sensata y elegir un futuro seguro con Roland. Roland anuncia que se irá a Amsterdam durante tres meses y que esperará la respuesta de Geneviève hasta su regreso. Geneviève se casa con Roland en una gran catedral, pero parece ambivalente sobre su decisión.

Tercera parte: El regreso (marzo de 1959 - diciembre de 1963)

Al regresar herido de la guerra, Guy se entera de que Geneviève se ha casado y ha abandonado Cherburgo. Le cuesta adaptarse a la vida civil. Tras una discusión con su jefe, deja el trabajo, se va de copas a un bar de mala muerte y pasa la noche con una prostituta. Cuando regresa a su apartamento, Madeleine le cuenta que su tía Élise ha muerto.

Guy se da cuenta de que Madeleine le quiere y rehace su vida con su ayuda. Con la herencia de su tía, abre una gasolinera «a la americana». Madeleine acepta casarse con él, aunque se pregunta si no será sólo por despecho tras haber perdido a Geneviève.

Cuatro años después, en una Nochebuena nevada, Guy y Madeleine están en la oficina de su gasolinera con su pequeño hijo François. Cuando Madeleine y François van a visitar a Papá Noel, se detiene un coche. La conductora, vestida de visón, es Geneviève, ahora rica y sofisticada. Le acompaña una niña, su hija Françoise.

Guy invita a Geneviève a la cálida oficina de la estación, donde charlan mientras un chico se ocupa del coche de Geneviève. Geneviève le revela que es la primera vez que viene a Cherburgo desde que se casó y le cuenta a Guy que su madre murió hace poco. Cuando le pregunta si quiere conocer a su hija, Guy declina la invitación.

Una vez que el coche está listo, Geneviève y Guy terminan su conversación. Al salir, Geneviève abre la puerta y se ciñe el cuello para protegerse del frío antes de mirar a Guy por última vez. Se dirige a su coche y se marcha. Madeleine regresa con François y Guy la saluda con un beso. Después de retozar con su hijo en la nieve, Guy lo coge en brazos y sigue a Madeleine al interior.