Ismaël Vuillard partage sa vie entre son métier de réalisateur et sa compagne Sylvia, une astrophysicienne. Alors qu'il s'apprête à débuter le tournage de son nouveau film, une biographie de son frère ...

Il y a plus de 21 ans, la petite amie du réalisateur Ismaël (Mathieu Amalric), Carlotta (Marion Cotillard), s'est enfuie, et plus personne ne l'a revue depuis. Ce départ a profondément bouleversé ...