Phim “Trái Tim Mùa Thu” kể về một mối tình đầy cảm động giữa hai anh em Yun Joon Suh (do Choi Woo Hyuk thủ vai) và Eun Suh (do Moon Geun Young thủ vai). Mọi chuyện bắt đầu khi Joon Suh, trong một tình huống ngẫu nhiên, đã làm cho Eun Suh bị tráo đổi với em gái ruột của mình lúc vừa chào đời. Hai anh em lớn lên trong một gia đình hạnh phúc, đong đầy yêu thương và tiếng cười.
Họ cực kỳ gắn bó, đi học cùng nhau, cùng ngắm mưa và chơi trò oẳn tù tì. Thế nhưng, số phận của Eun Suh bỗng dưng thay đổi khi một vụ tai nạn giao thông làm lộ ra việc nhóm máu của cô không giống với bố mẹ nuôi. Thực tế, con gái thất lạc của gia đình họ lại là bạn học xuất sắc nhất lớp, Choi Shin Ae (Lee Ae Jung) – người luôn ganh ghét Eun Suh.
Sau đó, Eun Suh quyết định trở về sống với mẹ ruột, trong khi cha cô đã mất vì căn bệnh ung thư trước khi cô chào đời. Cô phải ở với người mẹ nghèo khó và một người anh trai bụi đời. Gia đình Yun Joon Suh vì quá đau buồn đã rời sang Mỹ theo chương trình trao đổi giáo viên, mang theo Shin Ae.
Nhiều năm sau, Yun Joon Suh (now played by Song Seung Hun) quay về quê để tìm lại cô em gái mà anh yêu quý. Lần đầu gặp lại Eun Suh, nhìn lại những kỷ niệm xưa lại khiến cả hai đầy cảm xúc. Eun Suh giờ đã nghỉ học và làm nhân viên ở một khách sạn do bạn của Joon Suh – Han Tae Suk (Won Bin) – làm giám đốc. Han Tae Suk là một chàng công tử tốt bụng và thật lòng yêu Eun Suh.
Eun Suh thấy Joon Suh trên bãi biển và trái tim như sống dậy khiến cô chạy đến ôm lấy anh. Lúc này, cả hai nhận ra họ đã yêu nhau từ lâu, không chỉ đơn thuần là tình anh em, nhưng cũng thật nghiệt ngã khi mọi thứ tưởng chừng đã quá trễ. Yun Joon Suh thì đã có vợ chưa cưới là Shin Yumi (Han Na Na), còn Eun Suh lại phát hiện mình mắc bệnh thường trực và quyết định xa cách với Joon Suh.
