Le Carnet rouge d’Antoine Laurain et Jane Aitken, commence par une jeune femme qui se fait agresser en rentrant 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 à se relever, mais elle leur dit qu’elle va bien. Elle ne remarque pas 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 à la maison. Au lieu de cela, elle se rend dans un hôtel voisin et dit au gentil réceptionniste 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 rapidement.
Le matin, les femmes qui travaillent à la réception lisent la note du veilleur de nuit qui leur parle de la mystérieuse femme qu’il a autorisée 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 heureux de sa vie et se demande s’il devrait rompre avec sa petite amie dominatrice, Dominique. Il aperçoit le sac à main d’une femme jeté sur des poubelles. Il se souvient comment 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 y a beaucoup d’autres choses dedans. Il le sauve de la poubelle et le ramène à la maison.
Chez lui, 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 bric et de broc assortis, 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 que c’est le journal d’une femme. Il ne peut pas résister et commence à le lire. Au fur et à mesure qu’il le lit, il commence à connaître cette femme et découvre qu’elle est une femme gentille, créative, pleine d’esprit, passionnée et 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 ex-mari, Xavier, apparaît dans le jardin. Ensuite, elle est tirée du rêve idyllique vers la réalité de sa mort. Le gouvernement appelant pour dire qu’il a 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 à la place dans le jardin, tenant la main de Xavier.
Laurent a fini de lire le journal de Laure. Sa lecture lui fait réaliser à quel point Dominique fait pâle figure face à cette femme qu’il n’a jamais rencontrée. Ironiquement, Dominique se présente à sa porte et il met à la hâte toutes les affaires de Laure dans son sac et les cache. Quand 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’a été là. Elle ne le croit pas. Plus tard, ils vont à une fête, et pendant qu’il y 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 invention, et Dominique une valeur sûre. Il est clair que Pascal est un joueur et veut que Laurent soit de la même manière. Ils se séparent et Laurent est encore plus déterminé à retrouver Laure. Il essaie de rendre le sac au service de police mais ils lui disent que la paperasse est longue, alors il part. Ensuite, il retrouve l’auteur du livre dédicacé (dans le sac de Laure). L’auteur dit qu’il ne se souvient pas de son nom, mais il se souvient à quoi elle ressemblait. Par chance, il fait dédicacer un autre auteur dans son magasin, qui lit les hiéroglyphes et il est capable de 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.
A 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 il 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 d’avoir menti sur sa relation avec Laure, mais quand William lui demande s’il va rester chez Laure et garder son chat, il saute dessus.
Pendant ce temps, Laure profite toujours de son monde de rêve, mais de plus en plus du monde réel commence à dériver. Elle entend des infirmières discuter d’une émission de télévision et sait qu’elle est à l’hôpital. Pourtant, elle n’est pas prête à se réveiller.
Laurent reste 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 faire semblant d’être son petit ami lorsque ses amis se présentent. Cela le contrarie mais il joue le jeu, se réconfortant avec le 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 avec 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 Laurent n’y est pas. 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 pour ce qu’il a fait. Elle n’en est pas bouleversée, mais très émue qu’il ait eu la gentillesse de passer par tous ces ennuis juste pour la rencontrer. Elle commence sa propre recherche pour le retrouver.
Pendant ce temps, Laurent est morose. Chloé sait pourquoi et parvient à convaincre sa mère et son beau-père que l’un de leurs cadres photo devait être retouché. Elle le fait parce qu’elle a appris de Laurent que Laure était encadreur dans la ville. Elle se rend dans plusieurs magasins d’encadrement jusqu’à ce qu’elle trouve celui où Laure travaille, et là dit à Laure où elle peut trouver Laurent au travail.
Immédiatement 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 volé et un homme qui court dans toute la ville pour essayer de la retrouver. Laurent comprend qu’il s’agit de Laure et se précipite dans ses bras. Ils vivent heureux pour toujours.