《浪漫手牵手》讲述了一群青春偶像与两代篮球运动员交织其中的爱情悲喜剧。
2008年，中国队与美国队展开决赛，观众们在看台上见证了中国队员一次精彩的突破投篮。与此同时，在南洋大学篮球馆内，张牧也完成了一次漂亮的突破得分。球队里的小光头带来了一个振奋人心的消息：中国申奥成功，只要他们能在大学联赛中夺冠，就有机会代表中国大学生队与美国队交手。众人因此激情高涨，开始为目标全力以赴。
在荷兰，娜菲儿的20岁生日派对上，她意外发现了母亲留下的一本日记。另一边，教练病倒后，球队在困难中击败华南大学，成功通过小组赛。正当队员们沉浸在胜利的喜悦中时，教导主任却提出他们必须通过期末考试，令这群热血青年倍感压力。娜菲儿偶然得知，黄振华正是日记中提到的“阿华”，并从他口中得知韩雄平已经去世。
考试结束后，篮球队参加了教练安排的海边集训。娜菲儿与张牧的感情也逐渐升温，并发展到高潮。集训期间，教练特别安排了荒岛求生训练，队员们遭遇了前所未有的困难，也终于在困境中学会彼此扶持、协同合作，并与杰克化解了过去的矛盾。经历一连串挫折后，大家都获得了成长。他们相互搀扶着站在海边，望着远处的太阳，共同憧憬着美好的明天。
就在这时，张牧决定留下来，帮助娜菲儿寻找她的哥哥。黎倩倩也发现了一个惊人的秘密：他们一直在寻找的人，竟然就是张牧。
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