Film Habibie & Ainun 3 dibuka dengan kenangan sang produser, Manoj Punjabi, atas wafatnya B.J. Habibie pada 11 September 2019. Kisah lalu bergerak ke 22 Mei 2011, saat Habibie (Reza Rahadian) berziarah ke makam Ainun untuk mengenang satu tahun kepergian istrinya. Dalam suasana haru, ia memenuhi permintaan cucu-cucunya untuk menceritakan sosok "Eyang Putri", Hasri Ainun Besari.

Lewat kilas balik, terungkap masa muda Ainun (Maudy Ayunda) yang cerdas dan berprinsip. Saat SMA di Bandung, hubungan Ainun dan Habibie sempat diwarnai ejekan masa remaja. Ainun dikenal tangguh, terlihat saat ia tetap bertanding kasti meski terluka dan membawa timnya menang. Ia juga bercita-cita menjadi dokter dan akhirnya diterima di Fakultas Kedokteran Universitas Indonesia.

Kilas balik lain membawa penonton ke masa pendudukan Jepang di Semarang. Ainun kecil ikut ibunya, seorang bidan, menolong persalinan dalam situasi mencekam. Pengalaman itu membentuk tekad Ainun untuk mengabdi lewat dunia medis.

Di kampus, Ainun menghadapi kerasnya ospek dan sikap tak menyenangkan dari senior seperti Agus. Namun kecerdasannya membuat ia dikagumi banyak orang, termasuk Ahmad dari Fakultas Hukum. Saat menjalani praktik di kawasan kumuh, Ainun hampir menjadi korban kejahatan, tetapi berhasil diselamatkan Ahmad. Ia tetap teguh mengabdi pada masyarakat kecil.

Ahmad sempat melamar Ainun secara romantis, namun takdir berkata lain setelah tragedi di pasar malam yang mengguncang batin Ainun. Ia memilih pulang ke Bandung untuk menenangkan diri. Pada 1961, Ainun lulus sebagai mahasiswa terbaik dan menyampaikan pidato tentang emansipasi perempuan yang mendapat tepuk tangan meriah.

Di akhir kisah, Habibie yang telah menyelesaikan studinya di Jerman kembali hadir dalam hidup Ainun. Sebuah ciuman lembut menandai awal kisah cinta mereka yang kelak menjadi legenda. Film ditutup dengan kutipan Habibie dan potongan tayangan Mata Najwa, menghadirkan nuansa reflektif tentang cinta dan perjuangan.