फिल्म की कहानी लंदन में रह रहे अयान (रणबीर कपूर) और अलीजेह (अनुष्का शर्मा) के इर्दगिर्द घूमती है. अमीर परिवार के अयान अपने पिता के डर से एमबीए की पढ़ाई कर रहा है, जबकि उसे गायक बनना है. एक दिन अयान की मुलाकात अलीजेह से हो जाती है और वह उससे इकतरफा प्यार करने लगता है. अलिजेह का मानना है कि इकतरफा प्यार एक कमजोरी है. अलिजेह ने प्यार में बहुद दर्द सहा है. अलिजेह, अयान से अपने रिश्तों को दोस्ती का नाम देती है. वह लखनऊ में अली (फवाद खान) से प्यार करती थी. पर एक दिन अली उसे धोखा देकर चला जाता है.

तब वह डॉ.फजाद के संग रिश्ता बना लेती है, पर वह अली द्वारा दिए गए दर्द को भूली नहीं है. एक दिन जब अयान के साथ अलिजेह पेरिस पहुंचती है, तो वहां उसकी मुलाकात डीजे बन चुके अली से होती है. पुराना प्यार जागता है और वह अयान को अकेले पेरिस से लंदन भेज देती है. कुछ दिन बाद अलिजेह फोन करके अयान को लखनऊ बुलाती है और बताती है कि वह अली के संग शादी कर रही है. अयान लखनऊ पहुंचता है और सोचता है कि शायद अलिजेह का मन बदल जाए, पर वह निराश होकर वहां से लौटता है और एअरपोर्ट पर उसकी मुलाकात मशहूर शायरा सबा तालियार खान (ऐश्वर्या राय बच्चन) से होती है, जिसका मानना है कि एक तरफा प्यार में बड़ी ताकत होती है.

अयान व सबा करीब आते हैं और एक दिन अयान विएना जाकर सबा के घर रहने लगता है. दोनों के बीच संबंध बनते हैं. एक दिन अयान यह बात अलिजेह को बताता है. अलिजेह, अयान से मिलने विएना आती है. सबा से भी मिलती है और यहां एक बार फिर अलिजेह के प्रति अयान का प्यार जागता है. पर अलिजेह उसे सिर्फ दोस्त कहकर चली जाती है. 2 साल बाद पता चलता है कि अलिजेह व अली के बीच बातचीत नहीं है. अयान, अलिजेह की खोज करता है. जब अलिजेह मिलती है, तो पता चलता है कि वह कैंसर की मरीज है. यानी कि प्यार कैंसर बन गया है. इस बीच अयान मशहूर गायक बन चुका है. अलिजेह अभी भी अयान को दोस्त मानती है, जबकि अयान कहता है कि वह उससे प्यार करता है. पर अंततः एकतरफा प्यार जीतता है.