Eine verheiratete französische Schauspielerin (Emmanuelle Riva) reist 1957 für Filmaufnahmen nach Hiroshima und begegnet dort am vorletzten Drehtag einem ebenfalls verheirateten japanischen Architekten (Eiji Okada), der akzentfrei Französisch spricht. Sie nimmt ihn mit in ihr Hotelzimmer und schläft mit ihm. Während sie nach der Liebe nackt beieinander liegen und sie seinen Rücken streichelt, erzählt sie ihm von den grauenvollen Exponaten und Dokumentarfilmen über die Opfer der Atombombenexplosion, die sie im Museum sah. Er wiederholt nur immer wieder: „Du hast nichts gesehen.“ Aber sie fährt unbeirrt in ihrem Monolog fort.

Am Morgen duschen sie gemeinsam und verlassen das Hotel „New Hiroshima“. Die Schauspielerin trägt bereits die Schwesterntracht für ihre Rolle in einem Antikriegsfilm. Morgen um diese Zeit, sagt sie dem Japaner, werde sie im Flugzeug nach Paris sitzen und zu ihrem Mann und ihren beiden Kindern zurückkehren. Erschrocken bittet er sie, ihren Rückflug zu verschieben, aber sie lehnt es ab und steigt in das Auto der Filmcrew, das sie abholt.

Einige Stunden später erscheint der Architekt auf dem Set und holt die Schauspielerin ab. „Es war nicht schwer, dich zu finden“, erklärt er. Diesmal gehen sie in seine Wohnung. Seine Frau ist für einige Tage in den Bergen. Er fragt die Französin immer wieder, was in ihrer Geburtsstadt Nevers vorgefallen sei, denn er ahnt, dass sie dort die Frau wurde, die jetzt nackt neben ihm liegt. Zögernd beginnt sie zu erzählen: Als sie achtzehn war, verliebte sie sich in einen fünf Jahre älteren deutschen Besatzungssoldaten und traf sich beinahe jeden Tag heimlich mit ihm in einer Scheune, einer Ruine oder einem verlassenen Haus.

Der Japaner und die Französin ziehen sich an und setzen sich in ein Lokal. Noch einmal durchleidet sie die traumatischen und zum Teil verdrängten Erlebnisse in Nevers. Nicht einmal ihrem Ehemann hat sie davon erzählt; nur diesem Japaner, den sie erst seit einem Tag kennt und in einigen Stunden endgültig verlassen wird, vertraut sie ihr Geheimnis an. Bruchstückhaft erzählt sie weiter: Nach zwei Jahren wollten sie und ihr deutscher Geliebter in seine bayrische Heimat fliehen und dort heiraten. Sie verabredeten sich an der Loire, doch als sie mit ihren Sachen hinkam, lag er sterbend am Ufer: Jemand von der Résistance hatte aus einem Hinterhalt auf ihn geschossen. Am nächsten Morgen zerrte man sie von der Leiche, beschimpfte sie als Kollaborateurin, schlug sie, schor sie kahl und sperrte sie in einen feuchtkalten Keller. Eines Nachts holte ihre Mutter sie heraus, steckte ihr etwas Geld zu und schickte sie mit dem Fahrrad nach Paris. Als sie dort nach zwei Tagen ankam, berichteten die Zeitungen gerade über die Zerstörung Hiroshimas durch die Atombombenexplosion.

Das Lokal schließt. Ohne sich von dem Japaner zu verabschieden, geht die Französin in ihr Hotel zurück. In ihrem Zimmer hält sie es jedoch nicht aus. Sie läuft noch einmal ins Freie und kauert sich innerlich aufgewühlt in eine Ecke. Ihr Liebhaber kommt hinzu und fordert sie zum Bleiben auf. Sie ist völlig verstört und weiß nicht mehr, was sie tun soll. Damit hat sie nicht gerechnet. Schließlich ringt sie sich wieder zu einem Entschluss durch: Sie wird die Maschine nach Paris nehmen, wie geplant. Frustriert zischt der Japaner: „Es wäre mir lieber, du wärst in Nevers gestorben!“ Und sie antwortet: „Es wäre mir auch lieber.“

Er folgt ihr in ein Lokal („Casablanca“), setzt sich an einen Tisch in der Nähe und beobachtet, wie sie von einem anderen Japaner auf Englisch angesprochen wird. Sie antwortet nur durch Kopfnicken und blickt dabei ihren Liebhaber an. Völlig durcheinander kehrt sie in ihr Hotelzimmer zurück. Einige Minuten später klopft der japanische Architekt an ihre Tür: „Entschuldige, ich musste kommen.“ Weinend setzt sie sich aufs Bett. Dann nimmt sie die Hände vom Gesicht, blickt zu ihm auf und sagt: „Hi-ro-shi-ma. Hiroshima, das bist du.“ Und er antwortet: „Und du bist Nevers, Nevers in Frankreich.“