Nội dung của phim Trái Tim Mùa Thu xoay quanh một câu chuyện tình đẹp nhưng thấm đẫm nước mắt giữa hai anh em Yun Joon Suh (Choi Woo Hyuk) và Eun Suh (Moon Geun Young). Vì một hành động vô tình của cậu bé Joon Suh khi mọi người không chú ý mà Eun Suh đã bị tráo đổi thành em gái ruột của cậu trong phòng hộ sinh. Hai anh em cứ thế lớn lên trong một gia đình hạnh phúc, ngập tràn tình yêu thương và tiếng cười. Joon Suh và Eun Suh rất thân thiết với nhau, họ cùng nhau đạp xe trên con đường đi học, cùng ngắm mưa, cùng chơi oẳn tù tì. Số phận của Eun Suh bị đảo ngược khi mọi người phát hiện ră nhóm máu của cô không giống với nhóm máu của bố mẹ đang nuôi cô sau khi một tai nạn giao thông xảy ra. Đứa con gái bị thất lạc của họ lại chính là người bạn học giỏi nhất lớp nhưng lại luôn ganh ghét với Eun Suh là Choi Shin Ae (Lee Ae Jung). Eun Suh chọn cách trở về sống với mẹ ruột của mình, cha ruột của Eun Suh thì đã mất vì căn bệnh ung thư trước khi cô ra đời, cô ở cùng người mẹ nghèo nóng tính và anh trai côn đồ bỏ học. Vì quá đau lòng vì những chuyện xảy ra mà gia đình Yun Joon Suh sang Mỹ sinh sống theo chương trình trao đổi giáo viên và mang theo Shin Ae. Sau khi lớn lên, Yun Joon Suh (Song Seung Hun) trở về quê hương để tìm lại người em gái mà anh luôn thương yêu. Joon Suh gặp lại Eun Suh khi cô đã nghỉ học và làm nhân viên trong khách sạn do bạn của Joon Suh là Han Tae Suk (Won Bin) làm giám đốc, một chàng công tử nhưng yêu Eun Suh rất thật lòng. Eun Suh nhìn thấy Joon Suh trên bãi biển khiến nhiều kỉ niệm thời thơ ấu ùa vềnên cô đã chạy lại ôm Joon Suh, cả 2 tràn đầy hạnh phúc để rồi nhận ra rằng họ vốn đã yêu nhau từ lâu chứ không phải là tình anh em mà trong thâm tâm họ vẫn nghĩ. Tuy nhiên thật trớ trêu khi mọi thứ dường như đã quá muộn, Yun Joon Suh đã có vợ chưa cưới Shin Yumi (Han Na Na), còn Eun Suh biết mình mắc bệnh máu trắng vô phương cứu chữa nên cô quyết định rời xa Yun Joon Suh.
