Lars Lindstrom (Ryan Gosling) acaba de conocer a Bianca a través de Internet. Cuando Lars presenta a Bianca a su hermano Gus (Paul Schneider) y a su cuñada Karin (Emily Mortimer), estos se escandalizan y no dan crédito. ¿Habrá perdido la cabeza el tierno, introvertido e inadaptado de Lars? Al mirar a Bianca, ellos ven una muñeca, sin embargo Lars la ve como una amiga. Y es que, Bianca no es en absoluto una mujer de verdad si no que es una Real Doll. ¿Cómo harán para explicar esta situación a los vecinos del pequeño pueblo rural en el que llevan viviendo desde que nacieron? Karin y Gus acuden a la consulta del médico del pueblo, la doctora Dagmar Berman (Patricia Clarkson) que les aconseja seguirle el juego a Lars. Lars sufre de un delirio y, para ayudarle a superar esta crisis, tanto ellos como el resto del pueblo deberán colaborar. Cuesta convencer a los vecinos. Sin embargo, Gus y Karin logran conseguir su ayuda gracias al gran cariño que los lugareños sienten por Lars. En poco tiempo, Bianca se ha convertido en una parroquiana más, y no sólo va a misa si no que hace de modelo en el escaparate de una tienda, trabaja de voluntaria en el hospital y empieza a acompañar a Lars a los primeros acontecimientos sociales en los que éste se decide a participar. Ante la estupefacción de su entorno, Bianca consigue ganarse el corazón todo al que va conociendo, llenando vacíos que no sabían que existían.

Lo que sigue es un periplo emotivo, cómico y transformador tanto para Lars como para todos los que le rodean.