Jerry Mulligan, veterano estadounidense de la Segunda Guerra Mundial, vive en París intentando triunfar como artista. Su amigo y vecino, Adam Cook, es un concertista de piano en apuros y antiguo socio del cantante francés Henri Baurel. En el bar de la planta baja de su edificio, Henri le habla a Adam de su novia, Lise Bouvier. Jerry se une a ellos antes de salir a intentar vender su arte.

La solitaria heredera Milo Roberts se da cuenta de que Jerry expone sus obras en Montmartre. Compra dos cuadros y lleva a Jerry a su apartamento para pagarle. Invita a Jerry a una cena que celebra esa noche. Él acepta y de camino a casa canta "I Got Rhythm" con los niños de la zona. Jerry llega a la cena y descubre que es el único invitado. Ofendido, dice que no está interesado en ser un acompañante pagado, pero Milo insiste en que ella sólo quiere apoyar su condición de artista.

Van a un bar donde Milo se ofrece a patrocinar una exposición de arte para Jerry. Los amigos de Milo se unen a ellos poco después. Mientras todos hablan, Jerry se fija en una hermosa joven en la mesa de al lado. Finge que se conocen y la invita a bailar, sin saber que es Lise, la chica a la que ama Henri. Cuando Jerry quiere su número de teléfono, Lise, desinteresada, le da uno falso. Alguien en su mesa, malinterpretando la situación, dice inocentemente el número correcto. Milo se enfada con Jerry y quiere marcharse. Más tarde le critica por coquetear con otra chica en su presencia.

Al día siguiente, Jerry llama a Lise, pero ella se niega a verle. Mientras tanto, Milo le dice a Jerry que un coleccionista está interesado en su obra, y que ha concertado una exposición ese mismo día. Antes de la reunión, Jerry va a la parfumerie donde trabaja Lise. Ella acepta una cena tardía pero quiere evitar ser vista en público; comparten una romántica canción y baile a orillas del río Sena. A continuación, ella se apresura a reunirse con Henri después de su actuación ("Construiré una escalera al paraíso"). Henri le dice a Lise que se va de gira a América y le propone matrimonio.

Más tarde, Adam sueña con humor que interpreta el Concierto en Fa para Piano y Orquesta de Gershwin en una sala de conciertos. A medida que la escena avanza, Adam es también el director de orquesta, otros músicos e incluso un miembro del público que aplaude con entusiasmo al final.

Milo sorprende a Jerry alquilándole un estudio de arte y le dice que está planeando una exposición de su obra dentro de tres meses. Jerry rechaza inicialmente el estudio, pero acepta con la condición de que le pague a Milo cuando su obra se venda. Después de un mes de cortejo, Lise huye bruscamente cuando ella y Jerry llegan a su edificio de apartamentos en taxi. Jerry se queja de esto a Adam, que se sorprende al darse cuenta de que tanto Henri como Jerry aman a Lise. Más tarde, Henri y Jerry hablan de la chica que cada uno ama ("'S Wonderful"), sin saber que se trata de la misma persona.

Esa noche, Jerry y Lise se reúnen junto al Sena. Lise dice que se casará con Henri al día siguiente y que se irá con él a América. Lise se siente obligada por Henri porque la protegió durante la guerra. Los dos se proclaman su amor antes de separarse.

Un abatido Jerry invita a Milo al baile de máscaras de los estudiantes de arte. En la estridente fiesta, se encuentran con Henri y Lise. Jerry le confiesa a Milo que ama a Lise. Henri escucha a Jerry y Lise despidiéndose y se da cuenta de la verdad. Mientras Henri y Lise se alejan, Jerry sueña con estar con Lise por todo París al ritmo de An American in Paris de George Gershwin. Su ensoñación se ve interrumpida por el claxon de un coche; Henri le devuelve a Lise. Se abrazan y se marchan juntos mientras la composición de Gershwin (y la película) termina.