Wie González Iñárritus und Arriagas erster Film Amores Perros und der folgende Babel verwebt 21 Gramm drei Handlungsstränge miteinander: den von Cristina Peck und ihrer bei einem Verkehrsunfall umgekommenen Familie (Mann und zwei Töchter), den von Jack Jordan, dem fahrerflüchtigen Unfallverursacher und seiner Familie (Frau und zwei Kinder), und den des herzkranken Paul Rivers, der sich nach einer (im Weiteren schlecht verlaufenden) Herztransplantation von seiner Frau Mary trennt, um mit Cristina zusammenzuleben, der Witwe seines bei dem Unfall verstorbenen Herzspenders. Die Szenen des Films sind nicht in zeitlicher Folge montiert. Im Folgenden wird die Handlung weitgehend chronologisch wiedergegeben...

Der Film hat keine Handlung im klassischen Sinn und ist nicht chronologisch aufgebaut. Er zeigt in sechs verschiedenen Handlungssträngen Figuren, anhand derer Facetten aus dem Leben von Bob Dylan dargestellt werden. Die Episoden wandeln zwischen realen, verbürgten Szenen und philosophischen, abstrakten Metabetrachtungen. Unter anderem wird gezeigt, wie Dylan im Jahr 1965 anfängt, die elektrische Gitarre (Fender Stratocaster) zu spielen (anhand der filmischen Figur Jude Quinn). Außerdem wird in Anlehnung an den Western Pat Garrett jagt Billy the Kid, zu dem Dylan den Soundtrack schrieb, Richard Gere als Billy the Kid gezeigt (als Parallele zu dem älteren Bob Dylan), der anfangs nur ein ruhiges Leben führen will und dann in einer Art Comeback seinen alten Widersacher Pat Garrett ein letztes Mal überlistet.

Der Film beginnt mit einer Tanzshow auf einer Hochzeitsfeier. Auch die Gäste tanzen und das Hochzeitspaar schneidet die Torte an, die anschließend von vier Kellnern zurück in die Küche getragen wird. Dort herrscht geschäftiges Treiben, in der hintersten Ecke spülen drei Schwarze das Geschirr. Einer von ihnen ist Samba, der seit zehn Jahren als Einwanderer ohne Papiere in Paris lebt. Er verfolgt seinen großen Traum, eines Tages als Restaurantkoch zu arbeiten. Er wird jedoch verhaftet und landet in Abschiebehaft. In dieser scheinbar aussichtslosen Situation tritt Alice, eine dünnhäutige Karrierefrau, die sich nach einem Burnout nun ehrenamtlich in der Flüchtlingshilfe engagiert, in sein Leben. Ihre Kollegin Manu rät ihr, die Distanz zu wahren.

Der Unternehmer Norman Oppenheimer führt in New York ein einsames Leben im Schatten von Macht und Geld. Er nutzt trotz seines fortgeschrittenen Alters jede Gelegenheit und Verbindung, um seine soziales Netzwerk aus einflussreichen Personen auszubauen, die er aber eigentlich gar nicht kennt, und seinen sozialen Status zu verbessern, denn noch immer träumt er vom großen Erfolg. Als selbsternannter Macher vermakelt er sein ausgedehntes Netzwerk an Freunde und Bekannte. Oppenheimer trägt stets den gleichen Kamelhaar-Mantel über seinem eleganten schwarzen Anzug, eine graue, flache Mütze und eine Tasche, aus der seine Telefonohrstöpsel ragen.