Der altkluge 17-jährige Elio Perlman (Timothée Chalamet) genießt den norditalienischen Sommer des Jahres 1983 auf der im 17. Jahrhundert errichteten Villa der Familie. Seine Zeit verbringt der italoamerikanische Junge damit, klassische Musik zu spielen und zu transkribieren, zu lesen und mit seiner Freundin Marzia (Esther Garrel) zu flirten. Mit seinen Eltern ist Elio eng verbunden. Sein Vater (Michael Stuhlbarg), ein angesehener Professor, hat sich auf die griechisch-römische Kultur spezialisiert. Elios Mutter Annella (Amira Casar) arbeitet als Übersetzerin.

Gemeinsam bringen sie ihrem Sohn die Errungenschaften der Hochkultur nahe und bereiten ihm ein sorgenfreies Leben mit allen Vorzügen. Dank seiner Weltklugheit und seiner intellektuellen Begabungen wirkt der Junge nach außen bereits wie ein Erwachsener, doch dem Anschein entgegen ist Elio in mancherlei Hinsicht durchaus noch sehr unerfahren – besonders in Herzensangelegenheiten.

Eines Tages trifft der charmante 24-jährige amerikanische Doktorand Oliver (Armie Hammer) als neuer Sommer-Praktikant von Elios Vater auf der Villa ein. Inmitten jener prächtigen, sonnengetränkten Szenerie entdecken Elio und Oliver die berauschende Schönheit aufblühenden Verlangens im Verlauf eines Sommers, der ihre Leben für immer verändern wird.