Colin Singleton, un jeune surdoué qui aspire à connaître sa "minute Eurêka", est pour le moins malchanceux en amour. À ce jour, il a fréquenté 19 filles, toutes prénommées Katherine, dont la dernière en date vient tout juste de le larguer. Dans l'espoir d'oublier son chagrin, il se lance avec son ami Hassan dans un "road trip" qui les entraîne jusqu'à Gutshot, une petite ville du Tennessee où ils font la connaissance de Lindsay et de sa mère, Hollis. Propriétaire d'une usine textile qui embauche la majorité des habitants de la ville, cette dernière leur propose un emploi estival consistant à rassembler les témoignages de ses travailleurs, grâce auxquels elle souhaite reconstituer l'histoire orale de Gutshot pour les générations futures. Tout en s'acquittant de cette tâche, Colin entreprend l'élaboration d'un théorème qui doit permettre de prédire lequel de deux individus mettra fin à la relation et quand. Théorème qu'il élabore en s'appuyant sur ses 19 chagrins d'amour. Les liens qu'il noue peu à peu avec Lindsey l'amènent toutefois à revoir son idéologie amoureuse et sa perception de lui-même...