Nuovo Olimpo membuka kisah romansa getir yang berlatar Roma pada 1978, dengan tokoh Pietro seorang mahasiswa kedokteran yang pemalu, Enea mahasiswa film yang penuh gairah, serta karakter pendukung seperti Titti si pengelola bioskop, Alice sahabat sekaligus kekasih Enea, Giulia istri Pietro, hingga Antonio yang hadir di fase akhir cerita. Kita diajak masuk ke era Years of Lead di Italia, saat ketegangan politik dan sosial membentuk ruang aman terselubung bagi komunitas gay di sebuah bioskop bernama Nuovo Olimpo. Di sanalah Pietro dan Enea bertemu untuk pertama kalinya, dipersatukan oleh ketertarikan spontan yang terasa intens sejak tatapan awal.

Pertemuan itu berkembang cepat namun juga canggung. Enea yang lebih berani mengajak Pietro untuk lebih dekat, sementara Pietro masih diliputi keraguan dan rasa takut. Meski sempat terhenti, benih perasaan itu tidak padam. Dengan bantuan Alice, Enea mendapatkan kunci apartemen kosong milik neneknya, yang menjadi tempat Pietro dan Enea akhirnya menghabiskan malam bersama. Dari momen intim itu, perasaan tumbuh menjadi sesuatu yang lebih dalam. Keduanya sepakat bertemu kembali di Nuovo Olimpo keesokan harinya, seolah masa depan bisa direncanakan sesederhana janji bertemu.

Namun realitas berkata lain. Saat Pietro harus lebih dulu menjenguk ibunya di rumah sakit, situasi di luar bioskop berubah kacau akibat demonstrasi anti-fasis. Kekacauan merembet ke dalam gedung, memaksa Titti membantu Enea melarikan diri. Enea berusaha mencari Pietro, tetapi tanpa nomor telepon atau alamat, mereka kehilangan jejak satu sama lain. Malam yang menjanjikan masa depan justru menjadi perpisahan tanpa penutup.

Sepuluh tahun berlalu, Nuovo Olimpo membawa kita ke 1988. Enea kini menjadi sutradara sukses dengan film terbarunya yang secara fiksi merekam kisah cintanya yang singkat namun membekas. Pietro telah menjalani hidup berbeda, menikah dengan Giulia dan menyimpan masa lalu rapat-rapat. Tanpa tahu siapa pembuatnya, Pietro menonton film Enea dan terguncang oleh kemiripan cerita dengan hidupnya sendiri, memicu kecurigaan Giulia. Pencarian membawa Pietro kembali ke Nuovo Olimpo yang telah berubah menjadi bioskop film dewasa, tempat ia mengetahui Enea kini terkenal. Sementara itu, Enea sendiri mulai membuka lembaran baru saat bertemu Antonio di sebuah pesta.