Le Carnet Rouge d’Antoine Laurain et Jane Aitken, commence avec une jeune femme agressée alors qu’elle rentrait du travail. Son agresseur la frappe à la tête avec un objet lourd, elle tombe au sol et il s’enfuit avec son sac à main. Les gens l’aident, mais elle leur dit qu’elle va bien. Elle ne se rend pas compte qu’elle a subi une blessure à l’arrière de la tête. Elle dit à tout le monde qu’elle se sent bien, mais qu’elle n’a pas envie de rentrer chez elle. Au lieu de cela, elle se rend dans un hôtel voisin et dit au gentil employé de nuit qu’elle a été agressée et qu’elle a juste besoin d’un endroit pour la nuit, que le matin, elle ira à la police et déposera un rapport, puis pourra payer pour le chambre. L’homme accepte et lui donne la clé de la chambre. Elle monte à l’étage et se couche aussitôt.
Le matin, les femmes qui travaillent à la réception lisent le message du veilleur de nuit qui leur parle de la mystérieuse femme qu’il a autorisé à entrer. Elles attendent un bon moment, puis décident qu’elles feraient mieux d’aller la voir. Quand ils le font, ils la trouvent allongée, inconsciente, dans une mare de sang. Elle est emmenée à l’hôpital où il est déterminé qu’elle est dans le coma.
Pendant ce temps, un dénommé Laurent, libraire, sort se promener. Il n’est pas particulièrement content de sa vie et se demande s’il ne devrait pas rompre avec sa petite amie dominatrice, Dominique. Il aperçoit le sac à main d’une femme jeté dans des poubelles. Il se souvient que sa femme, Claire, avant leur divorce, ne se séparait jamais de ses sacs et il commence à soupçonner que ce sac a été volé. Il enquête et découvre qu’il a été volé. Il n’y a pas de portefeuille, mais il contient plein d’autres choses. Il le récupère de la poubelle et le ramène chez lui.
À la maison, il en sort le contenu et parmi eux se trouvent un collier avec des hiéroglyphes dessus et un cahier rouge. Il y a aussi des objets divers, comme un rouge à lèvres, un flacon de parfum, un livre signé par un auteur obscur et des épingles à cheveux. Il ouvre le cahier rouge et se rend compte qu’il s’agit d’un journal intime de femme. Il ne peut pas résister et commence à le lire. En le lisant, il commence à connaître cette femme et découvre qu’elle est une femme gentille, créative, pleine d’esprit et passionnée, et que c’est quelqu’un qu’il aimerait vraiment connaître.
Pendant ce temps, de retour à l’hôpital, dans le coma, Laure rêve. Elle rêve qu’elle est à nouveau une enfant jouant dans un beau jardin. Puis, ses souvenirs s’imposent à elle et son ancien mari, Xavier, apparaît dans le jardin. Ensuite, elle est sortie du rêve idyllique et ramenée à la réalité de sa mort. Le gouvernement a appelé pour dire qu’il avait été tué alors qu’il prenait des photos de la guerre en Irak. Elle refuse de rester plus longtemps dans ce souvenir, indiquant à quel point c’est douloureux, et se retrouve dans le jardin, tenant la main de Xavier.
Laurent a fini de lire le journal de Laure. En le lisant, il se rend compte à quel point Dominique n’est rien en comparaison de cette femme qu’il n’a jamais rencontrée. Ironiquement, Dominique se présente à sa porte et il fourre précipitamment toutes les affaires de Laure dans son sac et le cache. Lorsque Dominique entre, elle se hérisse immédiatement car elle sent le parfum d’une autre femme. Il lui dit qu’il n’y a pas d’autre femme et qu’aucune autre femme n’est venue là. Elle ne le croit pas. Plus tard, ils vont à une fête, et là-bas, il regarde Dominique, mais se demande plutôt comment Laure serait à une fête. Il se rend compte qu’il est injuste envers Dominique et rompt avec elle.
Le lendemain, Pascal, l’ami de Laurent, lui dit qu’il est un imbécile, puisque Laure est une fiction et que Dominique est une valeur sûre. Force est de constater que Pascal est joueur et souhaite que Laurent le soit également. Leurs chemins se séparent et Laurent est encore plus déterminé à retrouver Laure. Il essaie de rendre le sac au commissariat de police mais on lui dit que la paperasse est longue, alors il s’en va. Il retrouve ensuite l’auteur du livre signé (dans le sac de Laure). L’auteur dit qu’il ne se souvient pas de son nom, mais il se souvient de son apparence. Par chance, il fait dédicacer un livre dans son magasin à un autre auteur, qui lit les hiéroglyphes et parvient à traduire le collier qui se trouve dans le sac de Laure. C’est son nom complet. Laurent est aux anges car maintenant il connaît son nom complet et il peut essayer de la retrouver.
À sa grande consternation, il la retrouve. Elle est dans le coma dans l’un des hôpitaux. Quand il arrive, il y a un autre homme nommé William. C’est un collègue de Laure et surveille son chat. Le médecin le présente comme le frère de Laure, mais Laurent (et le médecin) savent que ce n’est pas vrai. William suppose que Laurent est le petit-ami de Laure et il ne le contredit pas. Laurent se sent un peu mal à l’aise d’avoir menti sur sa relation avec Laure, mais lorsque William lui demande s’il va rester chez Laure et surveiller son chat, il saute dessus.
Pendant ce temps, Laure profite toujours de son monde onirique, mais le monde réel commence à dériver de plus en plus. Elle entend des infirmières discuter d’une émission de télévision et se rend compte qu’elle est à l’hôpital. Pourtant, elle n’est pas prête à se réveiller.
Laurent séjourne plusieurs jours chez Laure. Il parcourt ses objets personnels tels que des albums photo, des livres et des collections. Cela l’aide à mieux la connaître. Il commence à se sentir très coupable de ce qu’il fait. Plus tard dans la journée, il rencontre sa fille Chloé. Elle lui demande de se faire passer pour son petit-ami lorsque ses amis arrivent. Cela l’énerve mais il joue le jeu, se réconfortant du fait qu’au moins les autres garçons ne s’approcheront pas d’elle s’ils pensent qu’elle a un petit ami plus âgé. Il raconte à Chloé ce qu’il fait et son implication dans le carnet rouge. Elle trouve cela terriblement romantique, mais Laurent dit qu’il se sent horriblement coupable de tout cela.
Laure se réveille de son coma. William est là, mais pas Laurent. Plus tôt dans la journée, il a déposé les clés de la maison de Laure au bureau de William. Quand Laure rentre chez elle, elle trouve un mot de Laurent s’excusant de ce qu’il a fait. Elle n’en est pas bouleversée, mais très émue qu’il ait eu la gentillesse de traverser toutes ces difficultés rien que pour la rencontrer. Elle commence sa propre recherche pour le retrouver.
Pendant ce temps, Laurent est maussade. Chloé sait pourquoi et parvient à convaincre sa mère et son beau-père qu’un de leurs cadres avait besoin d’être retouché. Elle le fait parce qu’elle a appris de Laurent que Laure était encadreuse dans la ville. Elle se rend dans plusieurs magasins d’encadrement jusqu’à trouver celui où travaille Laure, et y indique à Laure où elle peut retrouver Laurent au travail.
Aussitôt Laure se rend à la librairie. Elle s’approche du comptoir et lui pose des questions sur un livre qui met en scène une femme dont le sac à main a été confisqué et un homme qui court dans toute la ville pour la retrouver. Laurent se rend compte qu’il s’agit de Laure et se précipite dans ses bras. Ils vivent heureux pour toujours.