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New York, 1961. Musicien folk talentueux, marqué par le récent suicide de son partenaire, Llewyn Davis vient de faire paraître son premier disque, mais sa carrière ne décolle pas.

Il joue dans les bars de Greenwich Village pour gagner sa vie et habite chez les uns et les autres. Alors qu'il est hébergé par les Gorfein, il laisse leur chat s'enfuir ; il veut le retrouver à tout prix.

Chez son ami Jim, chanteur à qui le succès sourit, dont il partage en secret la maîtresse, cette dernière lui apprend qu'elle est enceinte de lui...

Décidément, tout lui échappe. Llewyn décide alors de tenter une dernière fois sa chance et se rend à Chicago.