No verán de 1963, Ennis del Mar e Jack Twist coñécense tras seren contratados por Joe Aguirre (Randy Quaid) para coidar das súas ovellas na montaña Brokeback en Wyoming, Estados Unidos. Nunha noite de borracheira, Jack faille unha insinuación romántica a Ennis, quen ao principio a rexeita pero que logo remata mantendo relacións sexuais con el. Aínda que lle advirte a Jack que non ía volver ocorrer, entre os dous xorde unha forte relación sentimental e física. Ao pouco de decatarse de que o seu verán e, polo tanto, o seu tempo xuntos ía rematar repentinamente, teñen unha breve pelexa da que os dous saen feridos.
Tras rematalo traballo, ámbolos dous volven ás súas cidades. Ennis casa coa súa prometida Alma Beers (Michelle Williams) e ten dúas fillas con ela. Jack marcha a Texas, onde coñece, casa e ten un fillo cunha vaqueira de rodeo Lureen Newsome (Anna Hathaway). Catro anos máis tarde, vólvense atopar cando Jack visita a Ennis. Neste encontro, Alma veos bicarse apaixonadamente. Jack propón ir a vivir xuntos a un pequeno rancho, mais Ennis, atormentado por unha dolorosa lembranza da súa infancia dun home sospeitado de ser homosexual sendo torturado e asasinado, rexeita a idea. Ademais, non está disposto a deixar atrás a súa familia. Porén, Jack e Ennis vense de cando en vez en viaxes de pesca.
Os anos pasan e os matrimonios de ámbolos dous deterióranse. En 1975, Alma divórciase de Ennis e Jack distánciase da súa muller, quen deixa o mundo do rodeo para traballar como executiva co seu pai e esperando que o seu marido traballe como vendedor. Jack entérase do divorcio de Ennis e viaxa até Wyoming e espera que poidan vivir xuntos, mais Ennis rexéitao por non se querer separar das súas fillas e polo seu medo que aínda segue presente.
Jack atopa amparo con prostitutos en México. Ennis ve a súa familia regularmente até que Alma enfróntase a el e faille saber que coñecía a súa relación con Jack. Isto resulta nunha disputa violenta, que remata con Ennis sendo obrigado a cortar as súas conexións con Alma. Ennis coñece e mantén unha breve relación con Cassie Cartwright (Linda Cardellini), unha camareira.
Ao final dunha das súas viaxes de pesca, Ennis tenta cancelar o seu próximo encontro por mor do traballo, polo que comezan a pelexar. Ennis culpa a Jack de "convertelo no que é" e de ser a causa das súas conflitivas accións. Jack tenta prendelo e Ennis rexéitao, mais acaban unidos nunha aperta.
Un tempo despois, Ennis recibe unha postal que lle enviara a Jack cun selo que di "Falecido". Nunha chamada telefónica entre Jack e Lureen, esta cóntalle que morrera nun accidente, cando un pneumático que estaba a cambiar estoupara. A explicación de Lureen da morte de Jack intercálase coas imaxes de Jack sendo golpeado por un grupo de tres homes, unha alucinación posiblemente inspirada polo temor da infancia de Ennis. Lureen cóntalle que Jack desexaba que a metade das súas cinzas fosen esparcidas no monte Brokeback, mais ela non sabe onde queda e pensa que é un lugar ficticio creado polo seu exmarido. Ennis vai visitar os pais de Jack (Roberta Maxwell e Peter McRobbie) e ofrécese a levar as cinzas de Jack, mais o seu pai rexeita a oferta rotundamente. A nai de Jack pregúntalle se quere ver a habitación de Jack antes de marchar. Alí descobre colgada nun gancho a camisa manchada de sangue que cría que perdera no monte Brokeback, dándose de conta que en realidade a gardara Jack coa súa propia camisa manchada tamén de sangue daquela pelexa de verán. Ennis ponas preto da súa face e, ao sentir a súa fragrancia, comeza a laiar polo baixo. Baixa á sala coas camisas e a súa nai déixallas levar.
Na derradeira escena, Alma Jr (Kate Mara), cos seus dezanove anos de idade, chega á caravana do seu pai dicíndolle que está comprometida. Pídelle a súa beizón e invítao á súa voda. Ennis pregúntalle á súa filla se o seu comprometido realmente a ama, consciente de que o amor é fundamental nunha relación e nun matrimonio, ao que ela contéstalle que si. Ennis vai ao seu armario para deixar o xersei que esquecera a súa filla. Nel están colgadas as camisas de Jack e maila postal da montaña Brokeback ao lado. Ennis abrocha o botón superior da camiseta de Jack e, con bágoas nos seus ollos bisba "Jack, I swear..." (En galego "Jack, xúrocho...") mentres pon dereita a imaxe.
