Annie Hall menghadirkan kisah unik tentang hubungan cinta yang penuh dinamika antara Alvy Singer (Woody Allen), seorang komedian neurotik, dan Annie Hall (Diane Keaton), wanita ceria dengan kepribadian bebas. Film ini juga menampilkan Tony Lacey (Paul Simon) sebagai produser musik yang berperan dalam hidup Annie, serta Rob (Tony Roberts), sahabat Alvy. Cerita dimulai dari sudut pandang Alvy yang mencoba memahami mengapa hubungannya dengan Annie berakhir setahun sebelumnya, sambil kilas balik ke masa kecilnya di Brooklyn yang dipenuhi kegelisahan eksistensial.

Pertemuan Alvy dan Annie terjadi secara sederhana, namun berkembang menjadi hubungan yang penuh warna. Dari momen antre di bioskop yang dipenuhi obrolan intelektual hingga kencan pertama setelah audisi menyanyi Annie, hubungan mereka terasa berbeda dari pengalaman cinta Alvy sebelumnya. Bersama Annie, Alvy merasakan kebahagiaan sederhana, seperti memasak lobster bersama dan berbagi cerita tentang masa lalu. Namun, perbedaan karakter mulai terlihat, terutama dalam cara mereka memandang cinta dan kehidupan.

Ketika hubungan semakin serius, Annie mulai jatuh cinta lebih dalam, sementara Alvy justru menunjukkan kecemasan dengan caranya sendiri, termasuk memberi Annie buku-buku tentang kematian. Saat Annie pindah ke apartemen Alvy, ketegangan perlahan muncul. Konflik memuncak ketika Alvy merasa Annie terlalu dekat dengan orang lain, memicu perdebatan tentang batasan dalam hubungan. Perpisahan mereka pun tak terhindarkan, membuat Alvy terus mempertanyakan makna cinta dengan cara unik, bahkan sampai membayangkan versi kartun dirinya berdebat dengan Annie.

Upaya Alvy untuk move on tidak berjalan mulus. Ia tetap terikat dengan Annie, bahkan saat mencoba menjalin hubungan baru. Ketika Annie kembali menghubunginya hanya untuk meminta bantuan sederhana, keduanya sempat rujuk dan berjanji memperbaiki hubungan. Namun, perbedaan yang mendasar tetap tidak bisa dihindari, terlihat dari sesi terapi masing-masing yang menunjukkan ketidakcocokan mereka.

Perjalanan mereka berlanjut hingga ke Los Angeles, namun akhirnya mereka sepakat bahwa hubungan ini tidak bisa dipertahankan. Annie pun melanjutkan hidupnya bersama orang lain, sementara Alvy mencoba menghidupkan kembali kisah mereka lewat sebuah pertunjukan, meski dengan akhir yang berbeda dari kenyataan. Dalam pertemuan terakhir di New York, keduanya sudah melangkah maju, dan Alvy menyadari bahwa meski cinta sering terasa rumit dan tidak masuk akal, manusia tetap membutuhkannya.