Una familia que viaja a la capital francesa por trabajo y una pareja joven que al comenzar la película está comprometida para casarse. En la ciudad más romántica del mundo, todos vivirán experiencias que les cambiarán la vida. Medianoche en París también gira en torno al gran amor de un hombre por la ciudad, y alrededor de la ilusión –compartida por muchos- que las vidas de los otros son mejores que las propias. Al comienzo de la historia, Gil, un guionista, (Owen Wilson) e Inez, su novia (Rachel McAdams) llegan a Paris aprovechando un viaje de negocios del padre de ella. El estar en Paris, le hace recordar a Gil –quien vivió un tiempo allí cuando tenía 20 años- sus antiguas ambiciones literarias. En Paris, Gil conoce a Adriana (Marion Cotillard). Cuando Adriana lee las primeras líneas del proyecto de novela de Gil, inmediatamente se siente atraída por él. A su vez, Inez comienza a pasar tiempo en Paris con Paul (Michael Sheen), un intelectual muy buen mozo que visita la ciudad con su esposa, mientras esta da conferencias en la Sorbona. Nada volverá a ser como era.