"Je... je suis détective. On a abaissé la taille légale minimum. Je vais vous reprendre ma carte, si vous voulez bien. C'est cher, ces trucs-là..."

- Larry Lipton

Carol et Larry Lipton (Diane Keaton et Woody Allen) sont un couple new-yorkais d'âge mûr sans histoire. Leur grand fils va à l'université, et ils passent leur temps libre au théâtre, au stade ou au cinéma. Ils rencontrent leurs voisins de palier, Lillian et Paul House, un couple plus âgé, et prennent le café avec eux. Mais peu de temps après, ils apprennent que Lillian est morte subitement d'une crise cardiaque, alors qu'elle semblait en parfaite santé.

Tout de suite, Carol, en manque de sensations fortes dans sa vie trop bien réglée, trouve cette mort suspecte et veut enquêter. Larry étant très réticent, elle mène l'enquête avec leur ami Ted (Alan Alda), un dramaturge fraîchement divorcé, et depuis toujours attiré par Carol. Ses soupçons sont confirmés : elle découvre que Paul House trompait sa femme... et finit par apercevoir Lillian, bel et bien vivante, dans un bus ! Qui a donc été incinéré dans l'urne des House ?

Pendant que Carol vit une seconde jeunesse en cherchant la solution de l'énigme, Larry est confronté au sex-appeal troublant de l'écrivain dont il s'occupe en tant qu'éditeur, Marcia Fox (Anjelica Huston). Pour éviter la tentation, il lui fait rencontrer Ted, et consent à suivre Carol dans ses échappées policières. A son grand dam, il se retrouve nez-à-nez avec le corps cette fois réellement refroidi de Lillian House. Dépassés, Carol et Larry demandent l'aide de Ted et Marcia, qui échafaudent un plan à partir d'un roman de gare pour coincer Paul House.

Le film se termine par une course-poursuite dans le cinéma de quartier en rénovation de Paul House, où les miroirs volent en éclat pendant que la scène finale de La Dame de Shanghai est projetée sur grand écran. Larry a alors cette réflexion devenue culte : "Je ne dirai plus jamais que la vie n'imite pas l'art..."