《暗恋桃花源》讲述了某剧场在同一晚迎来现代爱情悲剧《暗恋》和古装爱情喜剧《桃花源》两个毫不相干的剧组。由于双方都签下了当晚的彩排合约，且演出在即，剧组人员为争夺唯一的舞台争执不下，谁也不愿退让，只好轮流排戏。
《暗恋》中，江滨柳（金士杰）与云之凡（林青霞）在上海战乱时期相爱，却因一次离别而失去联系，江滨柳此后大半生都在不断寻找云之凡，却始终没有结果。年近耄耋、身患重病的他，回望看似圆满的家庭与事业，再与始终珍藏心底的那段纯粹爱恋相比，只感到深深的空虚。
《桃花源》中，武陵渔夫老陶（李立群）遭妻子春花（丁乃筝）背叛，长期忍受她和情人袁老板（顾宝明）的欺辱。某天，他借口外出捕鱼，实际上是想寻死，却意外误入桃花仙境。与此同时，春花与袁老板结为夫妻后，生活反而比从前更加不堪。
一悲一喜的两出戏在同一舞台上交替排练，摩擦与尴尬接踵而至，却也意外造就了独特的舞台景象。随着排练推进，戏中那些原本可能出错、也似乎可有可无的幕布和道具，以及一场戏结束后遗留在台上的痕迹，逐渐在另一出戏中显现出别样的意义。
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