Catherine et Jean vivent depuis six ans une relation illégitime. Les deux amants se retrouvent fréquemment dans la voiture de Jean. Celui-ci est cinéaste et a promis à Catherine de lui faire faire du cinéma. Mais Jean ne travaille pas beaucoup. Il est irritable et intraitable avec sa maîtresse. Il passe ses nerfs sur elle. Ils essayent de se séparer mais reviennent toujours ensemble. Un jour Catherine ne répond pas à ses appels. Il apprend qu'elle a rencontré un homme et va se marier avec lui.
Prix d'interprétation à Cannes pour son comédien principal Jean Yanne et véritable succès publique, ce second long métrage du réalisateur Maurice Pialat est très largement d'inspiration autobiographique. Souhaitant faire le deuil d'une liaison douloureuse, le cinéaste met ici en scène les relations de couple avec une authenticité et une impudeur rarement égalée à l'écran. Récit douloureux des derniers mois d'une liaison, Nous ne vieillirons pas ensemble oppose ainsi un Jean Yanne odieux à une Marlène Jobert transcendée pour une chronique saisissante de la cruauté des sentiments amoureux.