La película cuenta el romance de Noah (Ryan Gosling) y Allie (Rachel McAdams) durante el verano de 1940 en el pueblito de Seabrook, North Carolina. Todo empieza en la feria del pueblo, cuando Noah se siente atraído por la chica desde el primer momento. Aunque ella va con un grupo de amigos, él no duda en correr un alto riesgo con tal de conseguir una cita. Allie acepta, aunque al día siguiente cuando él le recuerda lo acordado, ella por un momento intenta echarse para atrás.
A pesar de que este inicio parece poco propicio, la química que existe entre los dos es evidente. El principal obstáculo que enfrenta la pareja es que él es un humilde leñador local mientras que ella proviene de una familia adinerada y sólo estará en el pueblo mientras dure el verano.
Contra lo que pudiera pensarse, los padres de Allie no se muestran intransigentes ante el nuevo novio de su hija. Ambos saben que la relación necesariamente debe ser fugaz, puesto que Allie está destinada a regresar a Nueva York y retomar su vida normal, por lo que aceptan que su hija se involucre con un muchacho humilde sin darle mayor importancia al tema. Sin embargo, para los muchachos se trata de algo más que un simple noviazgo de verano.
Cuando se separan él promete escribirle diariamente y lo cumple a pesar de que la entrada de Estados Unidos en la Segunda Guerra Mundial lo obliga a enrolarse en el ejército. Al mismo tiempo, Allie se desempeña como enfermera, atendiendo a los soldados heridos, y es así como conoce a Lon Hammond (James Marsden). Diversas circunstancias harán que Allie tenga que decidir entre Noah, que no ha podido olvidarla, y Lon, que parece ser el hombre ideal para ella. Todo lo anterior forma parte de una historia que Duke (James Garner), un amable caballero de edad avanzada, le narra a una mujer (Gena Rowlands) que está recluida en un asilo debido a que padece los efectos del Alzheimer. El relato está escrito en un cuaderno (el notebook del título original) y a medida que avanza la cinta el espectador comienza a sospechar que existe una relación entre este relato y la situación actual de la anciana.
Para cualquier persona con un poco de imaginación el nexo entre los dos planos de la narración debe ser evidente. Lo cual viene quedando en segundo término debido a la calidad de los personajes y a la convicción con que estos representan su papel.
