Mia (Emma Stone) droomt ervan actrice te worden in Hollywood. Tussen het serveren van koffie door rent ze van de ene auditie naar de andere. Jazzmuzikant Sebastian (Ryan Gosling) speelt piano in sjofele clubs om de eindjes aan elkaar te knopen en droomt van een eigen jazzclub. Voor beiden lijkt het leven waar ze op hopen ver weg. Het lot brengt deze dromers samen, maar is hun liefde bestand tegen de verleidingen en de teleurstellingen van het hectische leven in Hollywood?

Paterson woont in... Paterson, New Jersey, stad van dichters, van William Carlos Williams tot Allen Ginsberg, vandaag echter enigszins verloederd. Hij is een dertiger en buschauffeur, en hij leidt een mooi georganiseerd leven aan de zijde van Laura, enthousiaste veelvraat van uiteenlopende projecten en ervaringen, en de Engelse Bulldog Marvin. Elk vrij moment is voor zijn geheime schriftje, waarin hij eigen gedichten neerpent. De film observeert de triomfen en tegenslagen in het dagelijks leven, en de poëzie in de kleinste details.