Nelson Moss rencontre Sara Deever, une femme très différente de toutes celles qu’il a rencontrées auparavant. Son ignorance la conduit à échouer à son permis de conduire. Elle le séduit et lui demande sans cesse de passer un mois avec elle en lui promettant qu’elle changera sa vie pour le mieux. La première nuit de novembre, après que Nelson ait été licencié et largué le même jour, elle couche avec lui, et le lendemain, Chaz, un ami proche de Sara, arrive et se réfère à Nelson comme le « novembre » de Sara.
Tout au long de novembre, les deux vivent des moments heureux ensemble et tombent amoureux. Nelson examine sa vie et son passé, et se lie d’amitié avec un enfant sans père nommé Abner. Finalement, il réalise qu’il est amoureux de Sara et lui demande de l’épouser. Il est révélé que Sara est atteinte d’un cancer en phase terminale, un lymphome non hodgkinien. Comme elle ne peut supporter que Nelson vive sa mort, elle lui demande de partir. Sara dit à Chaz que Nelson l’a demandée en mariage. Chaz dit que ce n’était pas la première fois qu’un homme la demandait en mariage, laissant entendre que Sara a déjà eu de nombreux « mois » auparavant. Sara le confirme mais affirme que c’était la première fois qu’elle avait envie de dire oui. Elle décide de ne pas poursuivre la relation pour éviter que Nelson ne soit blessé. Nelson obtempère, mais organise ensuite un retour surprise pendant les vacances de Thanksgiving, en lui offrant des cadeaux qui lui rappellent leurs moments heureux.
Ils restent ensemble un jour de plus ; il affiche des calendriers de novembre sur tous les murs de son appartement, en disant que cela peut toujours être novembre pour eux. Ils font l’amour, mais le lendemain matin, Nelson trouve Sara habillée. Elle lui demande de partir, et il voit qu’elle a enlevé les calendriers. Sara sort en courant de son appartement, Nelson la poursuivant dans la rue jusqu’à ce qu’elle s’arrête finalement le long d’une passerelle menant à l’entrée du parc.
C’est ici, dans une scène dramatique, que Sara demande à Nelson de la laisser partir pour qu’il ait toujours des souvenirs heureux d’elle et explique que c’est ainsi qu’il faut se souvenir d’elle. Elle va retourner chez elle auprès de sa famille (qu’elle avait évitée) et affronter ses derniers jours.
Sara bande alors les yeux de Nelson, le conduit dans le parc et lui donne un dernier baiser. Nelson enlève le bandeau et voit qu’il est seul dans le parc où Sara et lui se sont rendus lors d’un de leurs premiers rendez-vous. Ses yeux se remplissent de larmes et le film se termine.