A Última Carta de Amor acompanha entre o passado e o presente, a jovem Jennifer Stirling (Shailene Woodley) após acordar sem memória, nos anos 60 em Londres. Com isso, ela descobre que escreveu várias cartas de amor para um amante chamado Anthony O’Hare (Callum Turner), com o qual estava disposta a arriscar seu casamento. Quarenta anos depois, a jornalista Ellie Haworth (Felicity Jones) encontra as mesmas correspondências e decide investigar o que aconteceu no passado, enquanto tenta lidar com os problemas de seu próprio relacionamento.