En Polonia, en 1968, se muestra a una niña las estrellas del cielo de invierno. En Francia, se muestra a una niña una de las primeras hojas de la primavera.

En 1990, una joven polaca llamada Weronika (Irène Jacob) está cantando en un concierto al aire libre con su coro cuando un repentino aguacero hace que los cantantes corran a cubrirse. Después de que Weronika sostenga sola la última nota, se encuentra con su novio, Antek (Jerzy Gudejko), y van a su apartamento para hacer el amor. Al día siguiente, le pide a su padre que le diga a Antek que se va para estar con su tía enferma en Cracovia. Menciona que últimamente siente que no está sola en el mundo.

Weronika viaja a Cracovia en tren y se reúne con su tía, después se pone en contacto con una amiga local con la que se encuentra en su ensayo del coro. Mientras el coro ensaya, Weronika les acompaña con su voz de soprano fuera del escenario. Después, el director musical le pide que haga una audición. Alborozada, Weronika corre a casa con las partituras. Mientras camina por una plaza en medio de una protesta, Weronika se fija en una turista francesa que hace fotos a los manifestantes, una joven que es exactamente igual que ella. Weronika sonríe mientras ve a su doble subir al autobús turístico que pronto se aleja.

En la audición, el canto de Weronika impresiona al director musical y al director de orquesta, y más tarde le dicen que ha ganado la audición. Cuando se dirige a su casa después de la audición, Weronika sufre un leve paro cardíaco, pero se recupera. Al día siguiente, Weronika se reúne con Antek. Esa noche, durante el concierto, mientras canta una parte en solitario, Weronika se desploma en el escenario y muere de un ataque al corazón.

Ese mismo día, en Clermont-Ferrand (Francia), Véronique (Irène Jacob), una joven francesa y doble de Weronika, se siente abrumada por el dolor después de tener relaciones sexuales con su novio. Más tarde acude a su profesor de música y le dice que deja el coro. Al día siguiente, en la escuela donde enseña música, Véronique asiste con su clase a una representación de marionetas sobre una bailarina de ballet que se rompe una pierna y se convierte en mariposa. A continuación, dirige a su clase en una pieza musical de un compositor del siglo XVIII, Van den Budenmayer, la misma pieza que interpretó Weronika cuando murió. Esa noche, mientras conduce hacia su casa, ve al titiritero en un semáforo haciéndole señas para que no encienda el extremo equivocado de su cigarrillo. Más tarde la despierta una llamada telefónica en la que no habla nadie, sólo un coro que canta la música de Van den Budenmayer. Al día siguiente, Véronique visita a su padre y le revela que está enamorada de alguien que no conoce y que recientemente ha sentido que ha perdido a alguien de su vida. De vuelta a Clermont Ferrand, recibe un paquete que contiene un cordón de zapato, que compara con su gráfico de electrocardiograma, y un desconocido la ilumina con un espejo.

Véronique se entera de que el titiritero es un autor de libros infantiles llamado Alexandre Fabbri (Philippe Volter), que ha basado la marioneta en uno de sus libros y ha escrito otro sobre un cordón de zapato. En los días siguientes, Véronique lee varios de los libros de Alexandre. Cuando Véronique visita a su padre, éste le entrega un paquete dirigido a ella que contiene una cinta de casete. Ella escucha la cinta, que contiene grabaciones de una máquina de escribir, pasos, una puerta que se abre, una estación de tren y un fragmento de música de Van den Budenmayer. También hay sonidos de un accidente de coche y de una explosión. El sello de correos del sobre lleva a Véronique a la estación de tren Gare Saint-Lazare de París. Va a un café de la estación donde cree que se hicieron las grabaciones y ve a Alexandre. Éste le dice que lleva dos días esperándola, que está trabajando en un nuevo libro y que le envió los paquetes como una especie de experimento para ver si acudía a él. Enfadada por haber sido manipulada, Véronique se marcha y se registra en un hotel cercano. Se encuentra con Alexandre, que le pide perdón y lo lleva a su habitación, donde ambos se quedan dormidos. Durante la noche, se confiesan sus sentimientos.

A la mañana siguiente, mientras habla con Alexandre, Véronique dice que siente que "estaba aquí y en otro lugar al mismo tiempo" y que alguien ha estado guiando su vida. Véronique procede a mostrar a Alexandre el contenido de su bolso, y éste encuentra una hoja de pruebas con fotos tomadas en el reciente viaje de Véronique a Polonia. Alexandre se fija en lo que cree que es una foto de Véronique, pero ella le asegura que no es ella. Entonces ve la foto y se da cuenta de que era Weronika la que aparecía en ella. Véronique se siente abrumada y rompe a llorar mientras Alexandre la consuela. Queda claro que el destino de Weronika ha obligado de algún modo a Véronique a dejar de cantar y evitar la misma muerte.

Un tiempo después, en su apartamento, Véronique ve a Alexandre trabajando en una nueva marioneta con su imagen. Cuando le pregunta para qué sirve una segunda marioneta idéntica, Alexandre le explica que necesita una marioneta adicional por si una se estropea. Le muestra cómo trabajar con la marioneta mientras la doble yace sin vida sobre la mesa. Alexandre le lee a Véronique su nuevo libro sobre dos mujeres, nacidas el mismo día en diferentes ciudades, que tienen una misteriosa conexión. Más tarde, ese mismo día, Véronique llega a la casa de su padre, se detiene en la puerta principal y extiende la mano para tocar un viejo tronco de árbol. Su padre, que está dentro de la casa, parece sentir su presencia.