New York. Leonard hésite entre épouser la femme que ses parents lui ont choisie, Sandra, ou tout sacrifier pour sa nouvelle voisine, Michelle, belle, volage, dont il est tombé éperdument amoureux. Entre raison, passion, il va devoir faire le plus difficile des choix...

Inside Llewyn Davis raconte une semaine de la vie d'un jeune chanteur de folk dans l'univers musical de Greenwich Village en 1961. Llewyn Davis est à la croisée des chemins. Alors qu'un hiver rigoureux sévit sur New York, le jeune homme, sa guitare à la main, lutte pour gagner sa vie comme musicien et affronte des obstacles qui semblent insurmontables, à commencer par ceux qu'il se crée lui-même. Il ne survit que grâce à l'aide que lui apportent des amis ou des inconnus, en acceptant n'importe quel petit boulot. Des cafés du Village à un club désert de Chicago, ses mésaventures le conduisent jusqu'à une audition pour le géant de la musique Bud Grossman, avant de retourner là d'où il vient.

Daniel, un adolescent maladroit, se retrouve durant un été à la tête d'un trafic de drogue, tout en tombant amoureux de l'énigmatique sœur de son associé.

Le docteur Anna Fox boit seule dans son appartement en regardant de vieux films. Lorsque les Russell emménagent près de chez elle, elle se met à espionner cette famille si parfaite, jusqu'à ce qu'un drame ne survienne.