《爱情天文学》讲述了天文学博士生艾美（欧嘉·柯瑞兰寇 Olga Kurylenko 饰）与天文学教授艾德（杰瑞米·艾恩斯 Jeremy Irons 饰）之间的爱情故事。艾美过去的伤痛让她成为了一名兼职替身演员，只有在极度危险的环境中，她才能稍微忘记内心的痛苦。当她遇见了艾德，两人有着相似的兴趣爱好，彼此之间产生了强烈的吸引力，他们很快便展开了热烈的恋情。
然而，艾美却意外得知了艾德去世的消息，却同时收到了源自艾德的信息，仿佛他仍然活在世间。这一切让艾美感到困惑，随着时间的推移，巨大的压力使她崩溃。在绝望中，艾美请求艾德停止打扰她的生活，此后再也没有收到来自他的消息。深感后悔的艾美开始努力寻找艾德，因为只有他才能解开所有谜团。她意识到，艾德是她生命中不可或缺的一部分，只有他才能带给她答案和安宁。两人之间的爱情和命运将如何交织，成为电影的一大悬念。
