Yêu Nhầm Song Sinh xoay quanh hành trình khám phá quá khứ của ca sĩ Thẩm Tri Thu, người quyết tâm tìm hiểu lý do chị gái mình bỏ rơi mình khi còn nhỏ. Để tiếp cận gia đình giàu có họ Doãn, cô lên kế hoạch suy tính kỹ lưỡng. Tuy nhiên, tình huống bất ngờ xảy ra khi cô buộc phải đính hôn với Doãn Hành, con trai thứ của gia đình Doãn. Trong bối cảnh đầy rẫy rủi ro và bí ẩn, Thẩm Tri Thu và chị gái khắc phục những hiểu lầm, đồng thời Thẩm Tri Thu và Doãn Hành từ tình trạng lợi dụng dần chuyển sang tình cảm chân thành dành cho nhau. Cuối cùng, họ cùng nhau thực hiện một kế hoạch trả thù ấn tượng, mang lại những bất ngờ không ngờ cho cả hai.