故事講述一家人，三個姐妹的愛情故事。郭富城和劉若英、陳奕迅和桂綸鎂、井柏然和楊穎組成的全新“夢幻組合”上演“全球熱戀”。
　　《全球熱戀》是導演陳國輝和夏永康繼票房大熱《全城熱戀》後的一個延續，影片講述一位母親和她三個成年女兒各自的愛情掙紮。每個女人本身都有一個成就，除了愛情…… 直至她們在北京、悉尼，以至月球上遇上一段新戀情。
　　Mary媽(由徐帆特別出演)失去丈夫，從國外回到北京，今天不用為生活憂愁的她，大方得體卻挺愛撒嬌，閑時弄弄花，老來才學燒菜。她保持著愉快的心情，盼望的就是三個女兒能有簡單幸福的愛情和生活。
　　身為航天員的大女兒Rose (劉若英飾)，獨立能幹，就是有些好勝。經過多年來苦侯，終於獲得首個太空任務，竟被編派與前度情人Michael(郭富城飾)一起執行。兩人困在狹窄太空艙中的尷尬，飄浮把握不著的豈止是無重的身體？不鬥氣不成冤家，無重狀態下衝突的情景固然惹笑，但絕男狠女的戲謔和太空中不明的危險，同樣使人懼怕。究竟怎樣才能完成任務，安全著陸？
　　二女兒Lily (桂綸鎂飾)身在澳洲悉尼，患有潔癖──說穿了就是承受不起感情創傷。心理醫生(杜汶澤客串)開出以情治傷的治療方案，Lily懷著信心一試之下，竟遇上了“垃圾男”Johnny(陳奕迅飾)，這也未免太滑稽，太困難了，難道戲還沒開唱就要謝幕？Lily和Johnny互生的好感和一再的相遇，促使他們勇敢的約會起來。不過誤會鍥而不舍，隔在他倆中間的並非清潔劑及消毒藥水，而是各自自卑的心理障礙。
　　與Mary媽同住屋簷下的小女兒牡丹(楊穎飾)也不省心，雖然她已是偶像級人氣明星，但星途殊不順意，因為她已經三次蟬聯金掃帚獎的最爛女主角。誓要奮發雪恥的她，決定偽裝成咖啡廳待應，以汲取真實經驗。在咖啡廳，她認識了有才情的窮小子聞風(井柏然飾)，兩人發展起來，牡丹卻被劇組追人開拍《月滿夜巴黎》。兩個人的現實世界突然起了衝突 ， 這段看似童話般的愛情會有怎樣的結局？
　　滿月對中國人有特別的意義，除了團聚之外，更與祝願有直接關聯。究竟Mary媽的三個寶貝女兒，在她魔法般強烈的祝福下，究竟能否戰勝愛搗亂的愛神，得到童話般簡單幸福的愛情和生活？月亮會作證。