Północne Włochy, 1983 rok. Elio Perlman, błyskotliwy siedemnastolatek o amerykańsko-włoskim pochodzeniu, spędza wakacje w XVII-wiecznej willi. Towarzyszy mu przyjaciółka Marzia, ojciec – szanowany profesor specjalizujący się w greko-romańskiej kulturze oraz matka – tłumaczka, która uczy chłopaka rozkoszować się kulturą i przyrodą Włoch. Pewnego dnia do willi przybywa Oliver, doktorant pracujący z ojcem Elia. W otoczeniu pięknych krajobrazów spalonych słońcem Włoch, Elio i Oliver odkrywają siłę wzajemnego przyciągania. To lato zapamiętają na zawsze.

„Lubię myśleć, że film »Tamte dni, tamte noce« zamyka trylogię filmów o pożądaniu. Należą do niej także »Jestem miłością« oraz »Nienasyceni«. Podczas gdy w tamtych filmach pożądanie prowadziło do posiadania, opowiadały o żalu, potrzebie wolności, tak w tym filmie chcieliśmy skupić się na niezwykłej urodzie idylli młodości. Elio, Oliver i Marzia znajdują się w plątaninie młodości i miłości. Trafnie określił to Truman Capote – »Miłość nie zna geografii, nie zna więc granic«. Ale ten film to także mój hołd dla ojców: mojego ojca biologicznego oraz tych, którzy zaszczepili we mnie miłość do kina – Renoira, Rivette’a, Rohmera, Bertolucciego” – mówił reżyser.