Pariisi, 1919. Gabrielle "Coco" Chanel on onnistunut rakentamaan menestyksekkään muotitalon ja on uransa huipulla. Menestyksen ylle lankeaa kuitenkin synkkä varjo, kun hänen rakastettunsa Boy Capel kuolee auto-onnettomuudessa. Coco lamaantuu surusta ja muotimaailma pelkää hänen menettäneen luomiskykynsä.
Vasta ajatus uuden tuoksun suunnittelusta rakastettunsa muistoksi saa Cocon elämänhalun palaamaan. Etsiessään täydellistä tuoksua hän kohtaa venäläisen ruhtinaan, karismaattisen Dmitri Romanovin, joka elää maanpaossa Ranskassa. Hänen kanssaan Coco matkustaa suurten tuoksujen synnyinsijoille Etelä-Ranskaan ja löytää pian rakkauden tuoksun jäljille. Samalla kun hänen elämänhalunsa palaa, Coco luo Chanel N° 5:n, josta tulee maailman kuuluisin hajuvesi.
Mademoiselle Coco ja rakkauden tuoksu kertoo salaperäisestä ajasta ikonisen muotisuunnittelijan Coco Chanelin (1883-1971) elämässä.
