Cléo Victorie (Corinne Marchand) es una joven y hermosa cantante parisina que lo tiene todo: belleza, una prominente carrera, un lindo departamento, amigos y amor, pero el día en el que se centra la película no va nada de bien; Cléo espera los resultados de un examen médico, el cual establecerá si la joven sufre de cáncer o no. "Cléo de 5 à 7" transcurre a través de varios capítulos y la historia es retratada a modo de tiempo real, desde las cinco de la tarde hasta las seis y media, horas durante las cuales Cléo espera los resultados de su examen. 

La joven decide salir y no quedarse en cama perdiendo el tiempo: sale de compras, practica canciones con sus grupo de músicos, se reúne con su amiga y tiene un muy interesante encuentro en una plaza con Antoine (Antoine Bourseiller), un soldado que ha luchado en la guerra de Argelia. Durante el transcurso de la película, el personaje principal sufre de una crisis de existencialismo, corriente que puede sonar bastante aburrida, pero gracias al toque de su directora, aquella crisis tiene una fuerte presencia de ideas feministas que reflejan los sentimientos de aquella época también.