葉湘倫（周杰倫飾演）與父親相依為命，父親是淡江藝術中學的訓導主任，湘倫自小在他的培養下，擁有非凡的音樂才華。這天是湘倫轉讀淡江藝術中學的第一天，當他跟著同學晴依參觀校園時，突被一段神秘的鋼琴樂曲吸引。湘倫隨著琴音引領，走進一間舊琴房，發現彈琴的是一位清秀脫俗的女生路小雨，兩人雖然沒有交談，但在四目交投之間，雙方都泛起微妙的感覺。原來小雨是湘倫的同班同學，似乎小雨上課時還總是遲到，而已經在百年琴房引起對方注意的兩人的感情不知覺間迅速深化，在並不漫長的相處中達到了互相分享秘密的階段；但每當湘倫問及那天在百年琴室所聽到的神秘樂曲時，小雨總是回答：“這是一個不能說的秘密……”一段充滿浪漫懸疑的愛情從此開始……
   最後湘倫發現小雨（桂綸鎂飾演）跟他不是一個時代的人，他們整整相差了20年。小雨也是湘倫爸爸的學生。在小雨讀書時候，有一天，突然發現音樂教室的鋼琴底下鋼琴有一本樂譜。那本樂譜的名字就叫做《Secret》，樂譜上面還說如果把這段鋼琴曲子快速彈奏完畢之後第一眼就決定了緣分。小雨一遍彈奏，其自身便進入時空變換之“場”。不知不覺，她來到了20年後。在同一間教室，她第一個就看見了被音樂吸引過來的湘倫。
   湘倫班上還有一個女生喜歡湘倫,但因為只有湘倫能看見小雨，所以當湘倫示意同學把字條傳給最後一桌的小雨的時候，字條卻傳到了在同學眼裡是最後一桌的晴依，以至於湘倫約到的不是小雨而是晴依。那天晚上湘倫閉上眼睛以為是小雨來了，就示意要她吻他，當晴依吻湘倫的時候，不巧這時候正好被小雨看見了。她以為是湘倫已移情別戀。痛傷之餘幾個月都沒有去學校。
   湘倫找小雨找了好久，但是因為小雨進入未來後第一眼看到的是大勇，所以看兩個有情人終於未能見面冰釋誤會，小雨隨後來到了舊琴房，彈起了那首《Secret 》又回到了20年以前的生活中。路小雨告訴了葉湘倫的父親這件事情，但所有人都認為小雨有精神病。小雨的媽媽甚至還專門買了治療精神病的藥給小雨吃。同時她在學校也受到了同學的肆意嘲笑。一個同學在課間竟寫小紙條給小雨問她20年後的浪漫愛情中失身了沒有。小雨難過極了。回到家裡再也不肯去學校了。
   湘倫跟小雨在一起的時候曾經對小雨說過，“畢業典禮上，我要為你演奏”。到了小雨畢業的時候，湘倫的爸爸來到小雨家裡找小雨，希望她能參加畢業典禮。小雨想起了湘倫說過的話。和湘倫的爸爸合影完後，便再次去了鋼琴教室。彈奏《Secret》讓她再次來到了20年後，並出現在了湘倫的畢業典禮上。聽到了湘倫為她彈奏的《天鵝》。正在這時候舞台上的湘倫發現了他尋找了5個月的小雨。小雨發現湘倫看著她，回身便走。湘倫鋼琴還沒有彈奏完畢就也跟著跑出去追小雨。湘倫追到她後抱住她說：“你不要消失了好不好？”湘倫的爸爸也追了出來，呵斥他要他繼續參加典禮。湘倫回身要小雨在教室裡等他。這個時候不巧又被小雨看見了晴依借給湘倫的幸運手鍊。小雨想起了那天橄欖球賽的對話，誤以為湘倫與晴依在一起了，傷心之下又回到了20年以前。
   湘倫畢業典禮完畢後來到教室，只看見他的兩個朋友在偷別人的東西。湘倫問他們是否看見了小雨。他們很奇怪。湘倫繼續說“就是那個在舞會時和我一起跳舞的女孩子”。他們聽後都很驚訝，“舞會時，你明明是一個人在跳啊。”湘倫也想起了那天舞會後，有女生對他說，“下次如果沒有舞伴，可以來找我啊。”又想起小雨的確是有些奇怪——為什麼她都沒有朋友，也沒人理她，而且她還不准湘倫在學校的琴房彈那首《Secret》。思路一點點清晰，小倫終於感到了小雨並不是個一般的女孩子，所有人都看不到她……小倫情緒複雜地來到教室小雨的座位上回想他們的點點滴滴的美好。這時竟然看見了修正液憑空在桌子上出現“我是小雨，我愛你，你愛我嗎？”等字樣，他再也受不了失去小雨的刺激，瘋狂寫出“你在哪”，在小倫想寫“我也愛你”的時候立可白沒有油了，小倫拼命用筆尖刻出一顆心（看出拼命是因為心的最後一筆有個長長的尾巴。可能是太激動）。湘倫困惑極了，再次來到小雨家。他聽到了《情人的眼淚》，又看到了那本《天鵝》，打開《天鵝》後，湘倫和小雨的媽媽看見了，小雨在20年前畫的湘倫。小雨的媽媽這才發現錯怪小雨了。他頓時感到很疑惑，這時小雨的媽媽從抽屜裡拿出了小雨與小倫的爸爸的最後一次合影，湘倫飛快地趕回家裡並從父親那裡了解到了關於小雨的事情。
   湘倫的父親說：小雨是他20年前的學生，鋼琴彈得很棒，就是有些喜歡胡思亂想，還說什麼20年後喜歡一個男生的事情，他們都認為小雨是神經病。湘倫聽後頓時明悟了這所有的一切，並馬上跑去學校的音樂教室，琴房已成工地，到了拆琴房的最後關頭，眼看時間就來不及了。他不惜被劃傷從窗戶爬進去，用滴血的手指以最快的速度彈起了那首《Secret》。家裡的湘倫爸爸看見了小雨留下的《Secret》樂譜，發現小雨在20年前就在樂譜的尾頁寫下了“……我愛你”等字眼，落款是“路小雨”，湘倫的爸爸又掀開了左上方折著的一角，竟看見了表白對象——葉湘倫！他這才知道，20年前的一切，都屬誤會，小雨真的愛著一個未來的年輕人，而且那就是自己現在的兒子！他猜到了剛剛突然離去的小倫會做什麼，更知道工地的危險，被深深震動的他以最快的速度向學校跑去。而與此同時，湘倫彈奏到了最後一段，在百年鋼琴伴琴房毀滅的前一瞬終於來到了20年前小雨的世界……