故事讲述一家人，三个姐妹的爱情故事。郭富城和刘若英、陈奕迅和桂纶镁、井柏然和杨颖组成的全新“梦幻组合”上演“全球热恋”。
《全球热恋》是导演陈国辉和夏永康继票房大热《全城热恋》后的一个延续，影片讲述一位母亲和她三个成年女儿各自的爱情挣扎。每个女人本身都有一个成就，除了爱情…… 直至她们在北京、悉尼，以至月球上遇上一段新恋情。
Mary妈(由徐帆特别出演)失去丈夫，从国外回到北京，今天不用为生活忧愁的她，大方得体却挺爱撒娇，闲时弄弄花，老来才学烧菜。她保持着愉快的心情，盼望的就是三个女儿能有简单幸福的爱情和生活。
身为航天员的大女儿Rose (刘若英饰)，独立能干，就是有些好胜。经过多年来苦侯，终于获得首个太空任务，竟被编派与前度情人Michael(郭富城饰)一起执行。两人困在狭窄太空舱中的尴尬，飘浮把握不着的岂止是无重的身体？不斗气不成冤家，无重状态下冲突的情景固然惹笑，但绝男狠女的戏谑和太空中不明的危险，同样使人惧怕。究竟怎样才能完成任务，安全着陆？
二女儿Lily (桂纶镁饰)身在澳洲悉尼，患有洁癖──说穿了就是承受不起感情创伤。心理医生(杜汶泽客串)开出以情治伤的治疗方案，Lily怀着信心一试之下，竟遇上了“垃圾男”Johnny(陈奕迅饰)，这也未免太滑稽，太困难了，难道戏还没开唱就要谢幕？Lily和Johnny互生的好感和一再的相遇，促使他们勇敢的约会起来。不过误会锲而不舍，隔在他俩中间的并非清洁剂及消毒药水，而是各自自卑的心理障碍。
与Mary妈同住屋檐下的小女儿牡丹(杨颖饰)也不省心，虽然她已是偶像级人气明星，但星途殊不顺意，因为她已经三次蝉联金扫帚奖的最烂女主角。誓要奋发雪耻的她，决定伪装成咖啡厅待应，以汲取真实经验。在咖啡厅，她认识了有才情的穷小子闻风(井柏然饰)，两人发展起来，牡丹却被剧组追人开拍《月满夜巴黎》。两个人的现实世界突然起了冲突 ， 这段看似童话般的爱情会有怎样的结局？
满月对中国人有特别的意义，除了团聚之外，更与祝愿有直接关联。究竟Mary妈的三个宝贝女儿，在她魔法般强烈的祝福下，究竟能否战胜爱捣乱的爱神，得到童话般简单幸福的爱情和生活？月亮会作证。
