Chuyện phim xoay quanh cuộc tìm kiếm ba người con gái của đôi vợ chồng Ngọc Trầm - Hoàng Phương. Nguyên Bằng – bạn thân của cặp vợ chồng là người nhận trách nhiệm nuôi dưỡng ba cô gái sau khi cha mẹ qua đời đã vô tình để họ thất lạc nhau. Tham gia vào cuộc tìm kiếm còn có Kiều Giang, người chị lớn và cũng là người duy nhất biết việc ông Nguyên Bằng đang bị ung thư giai đoạn cuối.

Nổi bật trong phim, Việt Trinh lần đầu cùng lúc đảm nhận hai vai chính là vai bà mẹ Ngọc Trầm (thời trẻ) và cô con gái Kiều Giang. Vai thứ nhất là Ngọc Trầm - sinh viên nhạc viện, có cha làm họa sĩ. Trong lúc loạn lạc chiến tranh, cả gia đình bị trúng đạn chết hết khiến cô lâm vào cảnh lầm than vất vả, phải đi bán cà phê và tranh vẽ của cha sống qua ngày. Vai thứ hai là Kiều Giang - cô có vẻ đẹp cuốn hút nhưng lạnh lùng, sống ẩn mình, trái tim băng giá và đầy lòng thù hận bởi một sự hiểu lầm từ người mẹ gây nên. Trong phim này, Nguyễn Phi Hùng đảm nhận vai Nguyên Bằng, một anh chàng đẹp trai, yêu cô bạn học nhưng tính tình nhút nhát, nên chỉ dám giấu kín tình cảm trong lòng. Đến một ngày, anh đã phạm sai lầm khi giới thiệu bạn thân của mình đến xem mặt người đẹp, vì từ giây phút đó, anh chàng kia đã bị trúng tiếng sét ái tình và ngay lập tức tìm mọi cách... hạ gục "cô gái trong mộng" của Phi Hùng.

Xinh đẹp và thành đạt nhưng luôn ẩn mình trong trái tim băng giá, đầy thù hận, liệu Kiều Giang có tìm lại được các em gái của mình hay không? Và sức mạnh của tình yêu liệu có đủ khả năng công phá trái tim băng giá của Kiều Giang? 

Đón xem bộ phim "Câu Chuyện Cuối Mùa Thu" được phát sóng lúc 11h05 trên kênh SCTV7 bắt đầu từ ngày 02/09/2014.