500 days of summer bercerita tentang pertemuan tom hansen (joseph gordon-levitt) dengan asisten baru bosnya, summer finn (zooey deschanel). Tom adalah seorang arsitek yang berpengalaman, tetapi ia juga bekerja sebagai penulis di los angeles. Tom mulai menyukai summer, dan mereka menjadi sangat akrab dalam beberapa bulan. Meskipun, summer menyatakan ketidak percayaannya pada cinta sejati, dan tidak ingin mempunyai pacar.
Tom menunjukkan tempat favoritnya di kota, dimana ada banyak gedung yang ia sukai. Setelah beberapa bulan bersama, tom bertengkar dengan summer untuk yang pertama kalinya. Di hari ke 290, summer dan tom mengakhiri hubungan mereka setelah menonton film the graduate, yang mana sangat berpengaruh pada summer, namun tidak memberikan efek apapun pada tom. Tom tidak terima jika hubungan mereka berakhir, sehingga tom memanggil adik perempuannya, rachel (chloe grace moretz), untuk menenangkan dirinya.
Summer keluar dari pekerjaannya. Atasan tom kemudian memindahkannya ke konsulat jenderal. Beberapa bulan kemudian, tom dan summer menghadiri pernikahan rekan kerja mereka, millie (patricia belcher). Mereka berdansa di pernikahan tersebut dan summer mendapatkan buket bunga yang dilemparkan oleh mempelai wanita. Setelah selesai dari pesta tersebut, summer kemudian mengundang tom untuk hadir di sebuah pesta di apartemennya. Tom hadir ke pesta tersebut, berharap untuk mengulang kembali hubungan mereka berdua. Tetapi, saat pesta tersebut berakhir, tom menyadari adanya cincin pertunangan di jari summer. Menyadari bahwa pesta yang ia hadiri adalah pesta lajang, tom pergi dengan sangat hancur. Tom sangat depresi, sampai ia meninggalkan apartemennya untuk makan, dan minum bir. Setelah beberapa hari, ia kembali ke tempat kerja dengan kondisi hangover, dan setelah luapan emosi yang ia keluarkan selama di kantor, ia keluar dari pekerjaan. Tom memutuskan untu mendedikasikan hidupnya untuk arsitektur.
Di hari ke 488, summer melihat tom di tempat favoritnya di kota, dan mencoba untuk berbicara padanya. Tom menyatakan ketidak pahaman akan sikap summer. Summer lalu menjelaskan bahwa tom benar-benar menunjukan kepadaanya akan keberadaan cinta sejati, dan dia menyadari hal tersebut ada pada orang lain.
Dua belas hari kemudian, tom menghadiri wawancara kerja dan bertemu dengan gadis cantik yang mendaftar pekerjaan yang sama. Mereka berbicara, dan tom mulai mengetahui tentang kesukaan dan ketidak sukaanya. Sebelum memasuki ruang wawancara, tom membuat janji dengan gadis itu. Ketika ia menanyakan namanya, gadis itu menjawab, “autumn”
