Fin des années 1980. Marc, la quarantaine, marié, père de famille, vit à Aix-en-Provence, près de la Méditerranée. Agent immobilier dans l'agence de son beau-père, il mène une vie tranquille. Alors qu'il fait visiter une maison à vendre, il croise une femme qui veut acheter cette maison pour le compte d’un marchand de biens et dont le visage lui semble familier.
Le soir, il pense qu'il s'agit de Cathy, son amour d'enfance, quittée à douze ans lorsque sa famille dut fuir Oran, dans les années 1960, en pleine guerre d'Algérie. Troublé par cette rencontre, il se remémore son amour d'enfance, il la revoit et passe une tendre nuit avec elle dans un hôtel. Au matin, elle le quitte sans lui donner ses coordonnées, en lui disant simplement qu’ils se reverront le jour de la signature du compromis de vente chez le notaire. Ils se revoient ce jour-là mais après elle disparaît de nouveau, bien que lui ayant promis de le revoir à son hôtel.
Marc apprend entre-temps, de sa mère et sa sœur, que Cathy est morte avec son père dans un attentat, peu après son propre départ précipité vers la France avec ses parents, ce qui veut dire que la femme avec laquelle il vient de renouer ne peut pas être Cathy. Il mène son enquête, partagé entre espoir et doute, car il s’est de nouveau follement épris de celle qu’il croit être Cathy. Au fil de ses investigations, il découvre que « Cathy » est mêlée plus ou moins malgré elle à une opération immobilière frauduleuse montée par un des collègues de Marc.
Il s'avère qu'en réalité, la jeune femme était la meilleure amie de Cathy, Marie-Jeanne, qui était amoureuse de Marc lorsqu’ils étaient tous ensemble. Marc l'avait côtoyée, mais ignorée, car à l’époque il n’avait d’yeux que pour Cathy. Cette dernière est bien morte en Algérie, et la famille de Marc n'en avait rien dit à l’époque, pour ne pas attrister encore plus le jeune garçon qu'il était.
Quelques mois plus tard, alors que Marc est séparé de sa femme et vit seul, il revoit Marie-Jeanne (la fausse Cathy) qui lui avoue avoir toujours été amoureuse de lui et souffert en silence dans l’ombre. Elle n’a jamais dit être Cathy (c'était Marc qui en était persuadé) mais éprouvant encore de l’amour pour lui, elle n’a pas eu le courage de le détromper. Ils se revoient quelque temps plus tard et Marc lui dit qu’il va revenir sur les lieux de son enfance, mais elle avoue ne pas en avoir le courage. L'avant-dernière scène du film se déroule à Oran où Marc, en pleurs, revient sur la terrasse de l'immeuble où lui et Cathy, enfants, ont passé de tendres moments ensemble.
