Cosmopolis berkisah mengenai satu hari dalam kehidupan miliuner muda, Eric Packer (Pattinson), yang baru saja menikah. Di hari tersebut, Eric merasa bahwa ia butuh untuk memangkas rambutnya dan harus dilakukan oleh tukang pangkas langganannya semenjak kecil yang berada di pinggiran kota Manhattan, New York, Amerika Serikat.

Walaupun telah diingatkan oleh pengawal pribadinya, Torval (Kevin Durand), bahwa Presiden Amerika Serikat sedang berkunjung ke kota tersebut sehingga menimbulkan kemacetan yang sangat panjang, Eric bersikeras bahwa dirinya harus segera memangkas rambutnya. Akhirnya, dengan ditemani oleh pasukan pengamannya serta menggunakan limusinnya yang canggih, Eric memulai perjalanannya menuju pinggiran kota Manhattan.

Perjalanan yang panjang dan lama tersebut ternyata akan mempertemukan Eric dengan banyak karakter yang secara perlahan akan mengubah hidupnya. Ia bertemu dengan wanita yang baru ia nikahi, Elise Shifrin (Sarah Gadon), yang terus menolak memenuhi hasrat seksual Eric. Konsekuensinya, dalam perjalanan tersebut, Eric kemudian berselingkuh dengan dua orang wanita.

Eric juga bertemu dengan seorang dokter, Dr Ingram (Bob Bainborough), yang menyatakan bahwa prostat Eric berbentuk asimetris serta bertemu dengan penasehat bisnisnya, Vija Kinsky (Samantha Morton), yang memberitahunya bahwa bisnisnya sedang bermasalah. Dalam perjalanan tersebut, Eric juga mengetahui bahwa usahanya mengalami kerugian yang besar akibat investasi yang salah.

Jelas adalah cukup sulit untuk menjalin ikatan emosional terhadap karakter Eric Packer maupun karakter-karakter lain yang ada di dalam jalan cerita Cosmopolis. Di sepanjang penceritaan film ini, karakter Eric Packer tidak pernah digambarkan mampu memikirkan hal lain selain mengenai dirinya sendiri, kenyamanan dirinya, keamanan dirinya, hasrat seksual dirinya hingga keuntungan finansial yang ia miliki. Dingin, tidak berjiwa dan begitu datar.

Pun begitu, perjalanan yang ia lakukan serta orang-orang yang ia temui secara perlahan mulai mengubah karakter Eric yang sekaligus mulai membuat penonton akhirnya mulai merasa peduli akan perjalanan yang ia lakukan tersebut. Di satu titik, karakter Eric Packer bahkan mampu menunjukkan rasa kesedihannya yang mendalam akibat kematian salah satu karakter yang begitu ia kagumi.