Nos anos 60, os amigos Joaquim (Rodrigo Santoro), PC (André Moraes), Davi (Angelo Paes Leme) e Geraldo (Jair Oliveira) tentam viver da música. Com sua banda de bossa nova, Os Desafinados, eles se inscrevem em uma audição que está selecionando artistas para tocar em Nova Iorque, no Carnegie Hall. Como o pai de PC é um militar influente nas relações internacionais, as coisas ficam mais fáceis. Porém, mesmo com o americano Bill se encantando pela canção do quarteto, eles não são convocados.

Decididos a levar o som brasileiro para os EUA, os quatro amigos decidem bancar a própria viagem. Com dificuldades e pouco dinheiro, eles tentarão se aproveitar da boa fase da bossa nova no mundo, mas terão antes que deixar para trás suas vidas no Brasil. Joaquim deixa a esposa grávida, PC abdica do sonho de se tornar arquiteto, e Davi larga a namorada também grávida, mas de outro homem. Já nos EUA, eles, junto com o amigo cineasta Dico (Selton Mello), conhecem Glória Baker (Cláudia Abreu), uma brasileira que acaba se tornando a vocalista da banda.

Com a proximidade do nascimento da filha de Joaquim e a dificuldade de se sustentar com a música em outro país, eles acabam retornando ao Brasil. Enquanto Os Desafinados tentam superar alguns problemas decorrentes da viagem, Dico se entusiasma com seu primeiro longa-metragem. Décadas depois, o cineasta ouve a notícia da morte de Glória e decide filmar um documentário sobre a banda de seus amigos. Para isso, ele reúne o grupo para que eles próprios contem o que realmente aconteceu.

Apesar da banda descrita no filme nunca ter existido, grande parte dos fatos narrados são baseados em histórias vistas e vividas pelo diretor Walter Lima Jr., que conviveu de perto com os músicos da bossa nova desde o começo do movimento. Para o elenco, ele decidiu chamar dois atores, Rodrigo Santoro e Ângelo Paes Leme, e dois músicos, André Moraes e Jair Oliveira. O entrosamento entre eles foi tanto que os quatro decidiram dar continuidade ao grupo Os Desafinados, inclusive marcando shows. Santoro, porém, nem sempre pode participar por causa dos compromissos internacionais.