וויליאם תקר (היו גרנט) מנהל חנות ספרים קטנה ונעימה בשכונת נוטינג היל בלונדון. חייו הרגילים משתנים כשאנא סקוט (ג'וליה רוברטס), שחקנית אמריקאית מפורסמת ומצליחה, נכנסת לפתע לחנותו. המפגש הראשוני לא מתחיל חלק: וויליאם מושך בטעות מיץ תפוזים על אנא, מה שמוביל לסיטואציה מביכה אך גם קסומה. בהמשך, אנא מגיעה לדירתו של וויליאם, שם היא מנשקת אותו, ודרכם מתחילה להתקרב. הסיפור מתפתח כשהם מגלים שיש ביניהם כימיה אמיתית, אך הקשר שלהם עומד למבחן לא רק בגלל הפערים בין עולמותיהם – הוא בעל חנות ספרים פשוטה והיא כוכבת הוליוודית – אלא גם בגלל החשיפה התקשורתית והלחץ הציבורי שמגיעים עם תהילת אנא. וויליאם נאבק לקבל את חיי הפרסום והצלם שמקיפים את אהובתו, בעוד אנא מתמודדת עם הפחדים והקשיים של להיות במרכז תשומת הלב. הם מנסים למצוא דרך לשמור על מערכת היחסים שלהם אמיתית ופרטית בתוך כל ההמולה. וויליאם מוצא את עצמו מתמודד עם רגשות של חוסר ביטחון ותחושת ניכור לעומת העולם המפואר שבו חיה אנא, אך גם לומד להעריך את הכוח של אהבה פשוטה ונאמנה. הקשר ביניהם נבחן שוב ושוב, אך הם שואפים לשמור על הקסם שהתחיל במקרה בחנות ספרים קטנה בלב נוטינג היל. במהלך הסרט, חבריו של וויליאם, ביניהם סופי (ג'ינה מקקי), תומכים בו ומנסים לעזור לו להתמודד עם הקשיים הרגשיים. אנא מתמודדת עם לחצי התקשורת והצורך לשמור על פרטיותה, בעוד וויליאם מנסה להיכנס לעולמה המורכב. סצנות מצחיקות ונוגעות ללב מתרחשות, כמו מפגשים מביכים עם עיתונאים וטעויות קומיות בשיחות בין הדמויות. הסרט מדגיש את הניגוד בין העולם הפשוט של נוטינג היל לבין הזוהר של הוליווד, ומציג כיצד אהבה אמיתית יכולה לפרוץ מחסומים חברתיים ותקשורתיים. בסופו של דבר, וויליאם ואנא בוחרים להיאבק על הקשר ביניהם, ומגלים שהכנות וההבנה ההדדית הן המפתח לשמירת מערכת יחסים מוצלחת, גם מול כל הקשיים שמגיעים עם תהילה ושוני תרבותי.
