Alvy Singer, un humoriste new-yorkais à la carrière éclatante, est un incurable névrosé. La quarantaine douloureuse après deux mariages ratés et quinze ans d'analyse, il est obsédé par la précarité de l'univers, le sexe et la mort. C'est alors qu'il rencontre, au détour d'un court de tennis, Annie Hall, une jeune femme étourdie et charmante qui l'enchante et en laquelle il est persuadé d'avoir enfin trouvé la compagne idéale. Eternel insatisfait, angoissé permanent, il l'entraîne dans des discussions métaphysiques et tente de lui faire partager ses interrogations. La demoiselle prête une oreille attentive aux développements ésotériques de celui qui est devenu son compagnon. Mais, préoccupée par sa carrière de chanteuse amateur, elle envisage de s'installer sur la côte Ouest. Un projet qui ne séduit guère Alvy...