'De hemel boven Parijs' vertelt het verhaal van de 51-jarige hoogleraar Olivier Massarin. Al vanaf het begin is duidelijk dat zijn relatie met Sylvie stroef verloopt. Sylvie heeft ontdekt dat Olivier nog altijd teruggrijpt naar zijn herinneringen aan zijn vroegere geliefde Mathilde. De abortus die zij heeft ondergaan is er misschien wel de oorzaak van geweest dat hun relatie destijds strandde. Zijn weemoedige herinnering aan haar wordt gevoed door de komst van de 21-jarige Sofie. In zijn ogen lijkt ze als twee druppels water op Mathilde. Zijn overmatige interesse in haar ontaardt in een obsessie. Hij probeert hier weerstand tegen te bieden maar voor zijn omgeving wordt steeds duidelijker dat hij wel érg veel aandacht aan haar besteedt. Hij huurt zelfs een appartement voor haar dat zij kan delen met Marc, de zoon van Paul Bonnard. Wanneer Sofie zwanger blijkt te zijn en een abortus wil ondergaan is de overeenkomst met Mathilde compleet. Sofie kruipt steeds meer in de huid van Mathilde. Een heftige vrijpartij is het gevolg. Sofie besluit dat ze met Olvier verder wil. Ze dwingt Bonnard om Olivier een nieuwe baan te bezorgen en laat hem weten dat ze haar naam zal veranderen om de schande achter zich te laten: Ze zal verder gaan met haar nieuwe naam: Mathilde.