หุบเขาเร้นรัก เป็นเรื่องราวชีวิตของเอนนิส เดล มาร์ (ฮีท เลดเจอร์) และ แจ็ก ทวิสต์ (เจค จิลเลนฮอล) คาวบอยหนุ่มสองคนที่พานพบและตกหลุมรักกันเมื่อปี ค.ศ. 1963 ระหว่างทำงานต้อนแกะบนภูเขาโบรคแบ็กในรัฐไวโอมิง ภาพยนตร์นำพาผู้ชมผ่านความสัมพันธ์อันซับซ้อนของบุคคลทั้งสองตลอดช่วง 20 ปีให้หลัง

เอนนิสและแจ็กเริ่มงานบนภูเขาโบรคแบ็กโดยแยกกันอยู่คนละที่ เอนนิสอยู่เฝ้าแคมป์ ส่วนแจ็กเฝ้าแกะบนภูเขาที่อยู่สูงเหนือขึ้นไป ช่วงแรกทั้งสองจึงพบกันเฉพาะเวลาอาหารที่แคมป์ นานเข้าจากที่ไม่รู้จักกันมาก่อน ทั้งคู่เริ่มสนิทจนเป็นเพื่อนกัน ไม่นานหลังจากนั้นเริ่มมีการสลับหน้าที่กันโดยแจ็กอยู่เฝ้าแคมป์และเอนนิสออกไปเฝ้าแกะ คืนหนึ่งทั้งสองคนดื่มวิสกี้จนเมามาย เอนนิสตัดสินใจไม่ไปเฝ้าแกะและลังเลที่จะเข้าไปนอนในกระโจมเดียวกับแจ็ก ดึกมากขึ้นเมื่อกองไฟที่จุดไว้มอดดับไป อากาศหนาวเย็นมากจนแจ็กต้องเรียกให้เอนนิสเข้าไปนอนในกระโจม ทั้งคู่เริ่มต้นความสัมพันธ์ที่ลึกซึ้งเกินกว่าเพื่อนในคืนนั้นและยิ่งแนบแน่นขึ้นตลอดช่วงฤดูร้อน

เมื่องานบนภูเขาโบรคแบ็กถึงคราวสิ้นสุด ทั้งคู่แยกย้ายกันไปคนละทาง เอนนิสกลับไปเริ่มต้นชีวิตครอบครัวโดยแต่งงานกับคู่หมั้น อัลมา เบียส์ (มิเชลล์ วิลเลียมส์) แจ็กได้พบและแต่งงานกับ ลูรีน นิวซัม (แอนน์ แฮทาเวย์) สาวสวยนักขี่ม้าครอบครัวมีอันจะกินที่เท็กซัส เอนนิสได้ลูกสาวสองคนขณะที่แจ็กมีลูกชายหนึ่งคน

4 ปีต่อมา เอนนิสได้รับไปรษณียบัตรจากแจ็ก แจ้งข่าวว่าเขาจะเดินทางผ่านมาแถวนั้น และแวะมาเยี่ยมในฐานะเพื่อนเก่า การพบกันทำให้พวกเขารู้ว่าความรู้สึกที่มีต่อกันยังคงเหมือนครั้งที่ได้เจอกันบนภูเขาโบรคแบ็ก แจ็กเริ่มเอ่ยถึงความเป็นไปได้ที่เขาทั้งคู่จะใช้ชีวิตอยู่ด้วยกันในฟาร์มเล็ก ๆ ทว่านอกจากไม่อยากจากครอบครัวแล้ว เอนนิสยังฝังใจกับความทรงจำในอดีตที่เขาได้รับรู้ถึงการทรมานและการฆาตกรรมชายที่เป็นเกย์ เอนนิสกลัวว่าการเปิดเผยความสัมพันธ์อาจทำให้ชีวิตของเขาต้องกลายเป็นโศกนาฏกรรมในที่สุด หลังจากพบกันคราวนั้น เอนนิสกับแจ็กก็นัดพบกันอีกบนภูเขาโบรคแบ็กแต่ไม่บ่อยนัก

ปีแล้วปีเล่า ชีวิตแต่งงานของเอนนิสมีแต่ย่ำแย่ลง ส่วนหนึ่งเพราะอัลมาล่วงรู้ถึงความสัมพันธ์ระหว่างสามีของเธอกับแจ็กนับตั้งแต่การนัดพบผ่านไปรษณียบัตรครั้งแรก อัลมาหย่าขาดกับเอนนิสโดยรับภาระเลี้ยงดูลูกสาวทั้งสองคน เมื่อทราบข่าวนี้แจ็กหวังอย่างเต็มเปี่ยมว่าการหย่าจะเปิดทางให้เขาได้อยู่กับเอนนิสในที่สุด แต่แจ็กคิดผิด เอนนิสปฏิเสธที่จะย้ายไปอยู่เท็กซัส เขายังต้องการอยู่ใกล้ลูกสาวโดยเฉพาะอย่างยิ่งลูกสาวคนโต อัลมา จูเนียร์ ที่พบกันเสมอ นอกจากนั้นเอนนิสยังได้ออกเดตกับบริกรหญิงคนหนึ่งด้วย

ในการพบกันครั้งสุดท้ายบนภูเขาโบรคแบ็ก เอนนิสยืนกรานที่จะไม่ทิ้งงานของเขาและบอกให้แจ็กรู้ว่าเขาไม่สามารถพบแจ็กได้จนกว่าจะถึงเดือนพฤศจิกายน ทั้งคู่มีปากเสียงกันเมื่อแจ็กตัดพ้อถึงเรื่องการพบกันที่แสนยาก และท่าทีเฉยเมยของเอนนิสต่อข้อเสนอของเขาที่อยากให้เอนนิสย้ายไปอยู่ด้วย การโต้เถียงจบลงด้วยดีแม้ว่าความอึดอัดคับข้องใจยังคงอยู่

หลายเดือนต่อมา ไปรษณียบัตรที่เอนนิสส่งถึงแจ็กทวงถามเรื่องนัดพบเดือนพฤศจิกายนถูกตีกลับ บนไปรษณียบัตรถูกตีตราว่า "ตาย" เอนนิสโทรศัพท์หาภรรยาของแจ็ก ลูรีนบอกเอนนิสว่าแจ็กตายในอุบัติเหตุ ขณะฟังคำอธิบายทางโทรศัพท์อยู่นั้น ภาพที่ผุดขึ้นในหัวของเอนนิสเป็นภาพของแจ็กถูกตีโดยชาย 3 คน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเอนนิสไม่เชื่อว่าแจ็กจะจากไปด้วยอุบัติเหตุ ลูรีนบอกเอนนิสว่าแจ็กปรารถนาให้นำเถ้ากระดูกของเขาไปโปรยบนภูเขาโบรคแบ็ก เธอแนะให้เอนนิสลองติดต่อกับพ่อและแม่ของแจ็ก

เอนนิสเดินทางไปพบพ่อแม่ของแจ็กเพื่อแจ้งถึงสิ่งที่ลูรีนบอก แต่ผู้เป็นพ่อปฏิเสธไม่ยอมให้นำเถ้ากระดูกของบุตรชายไปยังภูเขาโบรคแบ็ก แม่ที่ดูจะเป็นมิตรกว่า เอ่ยปากอนุญาตให้เอนนิสขึ้นไปดูห้องนอนสมัยเด็กของแจ็กที่ชั้นบน ที่นั่นเอนนิสค้นพบเสื้อเชิร์ตของแจ็กถูกซ่อนอยู่ ด้านในเสื้อตัวนี้มีเสื้ออีกตัวหนึ่ง เป็นเสื้อของเขานั่นเอง เสื้อสองตัวแขวนอยู่ในไม้แขวนเสื้ออันเดียวกัน และเป็นเสื้อตัวที่ทั้งคู่สวมบนภูเขาโบรคแบ็กก่อนจากกันเมื่อปี 1963

หลังจากพบกับพ่อและแม่ของแจ็กไม่นาน ลูกสาวคนโตของเอนนิสที่อายุ 19 ปีแล้ว เดินทางไปเยี่ยมเขาที่บ้านเพื่อแจ้งข่าวเรื่องการแต่งงานของเธอ ทีแรกเอนนิสดูเหมือนจะไม่ไปร่วมงานแต่งงานโดยอ้างว่าเขาอาจติดธุระ แต่สุดท้ายก็ตอบตกลงพร้อมกับชวนลูกสาวดื่มวิสกี้ฉลอง เอนนิสถามลูกสาวของเขาว่าคู่หมั้นของเธอรักเธอหรือไม่ เธอตอบอย่างมั่นใจว่ารัก

ในช่วงท้ายของภาพยนตร์ เอนนิสเปิดตู้เสื้อผ้าออก เผยให้เห็นเสื้อตัวเดิมของเขาและแจ็ก คราวนี้เสื้อถูกวางสลับตำแหน่งกัน เสื้อสีขาวของเอนนิสอยู่ด้านนอกเสื้อสีน้ำเงินของแจ็ก เสมือนกับว่าเขาโอบกอดแจ็กไว้ ที่บานประตูตู้เสื้อผ้ามีไปรษณียบัตรติดอยู่ บนไปรษณียบัตรเป็นภาพถ่ายภูเขาโบรคแบ็ก เอนนิสติดกระดุมเสื้อของแจ็กอย่างประณีตบรรจงพร้อม ๆ กับน้ำตาที่เอ่อท้น พึมพำเบา ๆ อยู่ในลำคอว่า "แจ็ก, ฉันสาบาน... ." หลังจากนั้นเอนนิสจัดไปรษณียบัตรให้เข้าที่พร้อมกับปิดบานประตูตู้เสื้อผ้า ไกลออกไปนอกหน้าต่าง มองเห็นทุ่งหญ้าสีเขียว ถนนดินลูกรัง และทุ่งสีเหลืองอยู่ไกลสุดลูกหูลูกตา