Catherine (Julianne Moore), una ginecóloga de éxito que lleva una vida acomodada, aunque monótona, junto a su marido David (Liam Neeson) y su hijo Michael (Max Thieriot), comienza a tener sospechas de que David la engaña. Tras conocer casualmente a Chloe (Amanda Seyfried), una joven y bella prostituta de lujo, decide contratarla para que seduzca a su marido y poner a prueba su fidelidad. Pero los relatos de los encuentros de Chloe con David no sólo prenden en Catherine la mecha de los celos, sino también una serie de deseos ocultos que la desconciertan. Atrapada en una telaraña de pasiones y sentimientos encontrados, Catherine descubrirá que en el peligroso juego de seducción de Chloe toda su familia está implicada.

'Chloe' está basada en la película francesa de 2003 "Natalie X", protagonizada por Gérard Depardieu, Fanny Ardant y Emmanuelle Beart. Para esta nueva versión, Atom Egoyan ha querido potenciar la carga sexual y psicológica de la historia y sus personajes, centrando Chloe en los peligros de la fantasía de querer reinventarse a uno mismo.