Los gemelos unidos Bob y Walt Tenor intentan vivir de la forma más normal posible. Walt, extrovertido y sociable, aspira a ser actor de Hollywood, mientras que Bob es tímido e introvertido.

Los gemelos regentan Quikee Burger, una cafetería en Oak Bluffs, en Martha's Vineyard, que garantiza comida gratis si los pedidos no se completan en tres minutos, lo que demuestra lo hábiles y sincronizados que son Bob y Walt. Walt se siente cómodo interactuando con mujeres, pero Bob es más tímido. Mantiene una relación a distancia con su amiga por correspondencia May Fong, de California, a la que nunca ha visto y a la que no ha dicho que es gemela unida.

Walt protagoniza un espectáculo unipersonal, mientras que Bob permanece lo más posible en un segundo plano, ya que tiene miedo escénico. Como la obra tiene éxito, Walt sigue su sueño hasta Hollywood, convenciendo a su vacilante hermano para que le acompañe.

Alquilan un apartamento en California y se hacen amigos de April Mercedes, otra aspirante a actriz. Cuando ella le pregunta por su conyugalidad, Walt le explica que comparten un hígado que en su mayor parte es de Bob. Como la separación quirúrgica es arriesgada para Walt, Bob no consiente la operación, aunque Walt la desea. También es la razón por la que Walt parece mayor que Bob.

Walt tiene dificultades para encontrar trabajo como actor en Hollywood, y su agente, Morty O'Reilly, no le ayuda, ofreciéndole en un momento dado un trabajo en una película pornográfica. Cher está disgustada porque va a protagonizar un programa de televisión de máxima audiencia llamado Honey and the Beaze. Deseosa de salirse, contrata a Walt como coprotagonista, segura de que el programa será cancelado. Los productores se dan cuenta de su plan y lo frustran, compensando la presencia de Bob manteniéndolo fuera del encuadre de la cámara y empleando efectos de pantalla azul. El programa es un éxito inesperado y Walt se hace famoso.

Walt consigue que May Fong conozca a Bob sin su consentimiento. Ambos entablan una relación romántica, aunque el intento de los gemelos de mantener en secreto su naturaleza unida es todo un reto, sobre todo porque Walt debe acompañarles a todas partes, a veces con soluciones creativas como disfrazarse de oso de peluche gigante. Finalmente, cuando May los descubre en la cama, llega a la conclusión de que son una pareja gay y no hermanos. Aunque Bob le demuestra que en realidad son gemelos unidos, sorprendida por la mentira, huye.

Morty informa a los gemelos de que se ha corrido la voz de que Walt y Bob son unidos. En lugar de ocultarlo, lo aceptan, convirtiéndose en grandes celebridades, haciendo anuncios y apareciendo en The Tonight Show con Jay Leno. Mientras Walt disfruta de este éxito, sabe que Bob no es feliz y echa de menos a May. Decidido a que Bob necesita ser independiente para ser feliz, Walt exige que los separen quirúrgicamente.

Bob se niega, así que Walt se comporta como un loco. Borracho, le arrebata el bolso a una mujer y pasa la noche en la cárcel por conducir ebrio. Aunque Walt había bebido, Bob tiene la resaca, ya que el hígado que comparten es mayoritariamente suyo. Liberados a la mañana siguiente, se pelean y Bob acepta la operación.

La noche antes de la operación, May aparece disculpándose con Bob por haber salido corriendo. Él le informa de que se van a separar; aunque ella no quiere, él dice que es lo mejor. En el hospital, May y April esperan a Ben Carson, un neurocirujano de la vida real en un cameo, que la operación haya sido un éxito.

Bob y May, gente de pueblo, se mudan de nuevo a Oak Bluffs, pero Bob encuentra difícil la separación de Walt, tanto práctica como emocionalmente, y tiene dificultades para hacer por sí mismo cosas que solían hacer juntos, como mantener el reto de los tres minutos de Quikee Burger o jugar al hockey. Walt pierde su trabajo cuando Honey and the Beaze se cancela debido a los bajos índices de audiencia, y no encuentra más trabajo. También está emocionalmente devastado por la ausencia de Bob. Tras una breve charla con Cher sobre lo que es mejor para él, se traslada de nuevo a Oak Bluffs.

Un año después, Walt y Bob dirigen juntos el restaurante, Bob y May se han casado y May está embarazada. Los gemelos simulan su antigua unión con ropa de velcro que los une. Walt encuentra satisfacción creativa continuando en obras de teatro locales, incluido un musical en el que él y Meryl Streep interpretan a Bonnie y Clyde.