Film ini menceritakan perjalanan hidup B.J. Habibie dan istrinya, Hasri Ainun Habibie. Cerita keduanya berawal ketika Habibie (Reza Rahardian) pulang dari Jerman dan bertemu Ainun (Bunga Citra Lestari). Saat itulah mereka mulai saling jatuh cinta hingga akhirnya menikah di tahun 1962.
Ainun berusaha menjadi pendamping terbaik saat Habibie ingin mengejar mimpinya di Jerman. Di sana, kehidupan pasangan ini tidaklah mudah. Habibie kerap dipandang sebelah mata, sedangkan Ainun yang hamil tua kerap ditinggal sendirian. Sayangnya, saat mereka ingin kembali ke Indonesia, harapan itu pupus karena saat itu Indonesia belum mampu ‘menampung’ kejeniusan Habibie.
Seiring berjalannya waktu, karir Habibie di Jerman semakin cemerlang, saat itu pula ia diminta pulang ke tanah air. Di sinilah Habibie dan Ainun mulai digoda kekuasaan dan harta. Cobaan tak berhenti di situ saja. Menjadi Wakil Presiden dan Presiden RI di tahun 1998 bisa menjadi permasalahan terberat yang harus dihadapi Habibie dan Ainun.
Sementara Habibie sibuk dengan urusan negara, Ainun harus berjuang menghadapi kanker yang sengaja ia sembunyikan dari Habibie. Bertahun-tahun kemudian, kondisi Ainun memburuk dan harus menjalani operasi berkali-kali. Tahun 2010, Ainun pun menghembuskan napas terakhir setelah perjuangan panjangnya melawan penyakit, Kisah Cinta Ainun Habibie.