L'action se déroule en temps réel. Cléo, une jeune chanteuse plutôt frivole, craint d'être atteinte d'un cancer. Il est 17 heures et elle doit récupérer les résultats de ses examens médicaux dans 2 heures. Pour tromper sa peur, elle cherche un soutien dans son entourage. Elle va se heurter à l'incrédulité voire à l'indifférence et mesurer la vacuité de son existence. Elle va finalement trouver le réconfort auprès d'un inconnu à l'issue de son errance angoissée dans Paris.Quatre chansons ont été écrites pour le film, paroles d'Agnès Varda et musique de Michel Legrand : La Belle putain, La Menteuse, La Joueuse et Sans toi. Elles sont interprétées par Corinne Marchand.
