Ambientada en la ciudad de Nueva York contemporánea, Shortbus gira en torno a Sofia Lin (Sook-Yin Lee), casada con Rob (Raphael Barker), un hombre apuesto pero poco ambicioso y ligeramente torpe. Trabaja como asesora de parejas y terapeuta sexual. Entra en contacto con una pareja: Jamie (PJ DeBoy), una ex estrella infantil ligeramente egoísta, y James (Paul Dawson), el otro personaje principal de la película, un ex trabajador sexual. Al principio, James sugiere a su novio que abran su relación para tener sexo con otras personas. Durante su primera consulta, Sofía estalla, abofetea a Jamie y luego revela, disculpándose, su estado "preorgásmico". La pareja le sugiere que asista a un salón social/artístico/sexual semanal en Brooklyn llamado "Shortbus", cuyo anfitrión es el artista drag Justin Bond (que interpreta a vself). Sofía se abre poco a poco a nuevas experiencias; esto incluye una amistad con una dominatrix que responde al nombre de Severin (Lindsay Beamish). La incapacidad de Sofía para alcanzar el orgasmo empieza a causar conflictos con Rob, que a su vez empieza a asistir a Shortbus con Sofía.

James y Jamie conocen a un joven ex-modelo y aspirante a cantante llamado Ceth (pronunciado "Seth" y retratado por Jay Brannan) y los tres comienzan una relación sexual. Mientras tanto, la vida de James y Jamie es vigilada de cerca por su vecino acosador del otro lado de la calle, Caleb (Peter Stickles). Caleb teme que la inclusión de Ceth en la relación de James y Jamie pueda romperla y destruir así su capacidad de vivir indirectamente a través de ellos, por lo que acude a Shortbus, donde se enfrenta a Ceth. Sofía comienza a ir diariamente a un spa con un tanque de privación sensorial para reunirse con Severin, y los dos comienzan a tener intensas conversaciones. Severin comienza a ayudar a Sofía a soltarse sexualmente; Sofía ayuda a Severin a lograr una conexión humana más profunda que la que había experimentado antes. Una noche en Shortbus, Severin discute con Sofía la idea de dejar el trabajo sexual para perseguir su sueño de ser artista. Ambos tienen una experiencia sexual no planificada, y una vez más Sofía queda insatisfecha.

A lo largo de la película, se ve a James haciendo una película sobre sí mismo y su relación. Resulta ser una nota de suicidio. Intenta quitarse la vida y es rescatado por Caleb, que pide ayuda, pero está demasiado avergonzado para esperar con James a que llegue la ayuda. Escribe su número de teléfono y su dirección de correo electrónico en la cara de James mientras éste está inconsciente. Cuando James se despierta en el hospital, llama a Caleb. James va a casa de Caleb para que le consuele, pero no se pone en contacto con Jamie ni con Ceth, ninguno de los cuales puede entender por qué no les llama o no va a casa.

A continuación se suceden un trío de escenas que muestran las conexiones entre los problemas emocionales de los personajes y su vida sexual.

• En casa de Caleb, él y James tienen relaciones sexuales, y James permite que Caleb le penetre, algo que nunca ha permitido a nadie. Después, en una dramática revelación, James es visto en la ventana del apartamento de Caleb por Jamie, que se da cuenta en ese momento de que James está vivo y está bien.


• Rob y Severin tienen un encuentro remunerado en el que Rob pide ser azotado, algo que no podría pedirle a Sofía. A medida que esto avanza, Severin pierde el control y Rob intenta consolarla.


• Sofía parece tener un sueño en el que lucha por una zona boscosa y salvaje hasta llegar a una suave orilla del mar donde intenta alcanzar el orgasmo de nuevo. Al no conseguirlo, grita, y en el mundo real las luces se apagan en toda la ciudad, aparentemente causadas por la frustración simultánea y colectiva de los personajes.

La película termina con una canción de Justin Bond en Shortbus durante el apagón. Sofía llega y encuentra a Rob con Severin y tras reconocerlo se sienta sola. James y Jamie también llegan seguidos de Ceth y Caleb. La canción de Justin comienza con una nota melancólica, pero a medida que avanza se vuelve más enérgica y positiva gracias a la llegada de la Hungry March Band. Esto se refleja en las acciones y emociones de los actores. Jamie y James se besan en el suelo, y Ceth y Caleb empiezan a congeniar. Rob parece encontrar un amigo, y Severin pasa de la ansiedad nerviosa a la alegría por la llegada de la banda. Sofía hace un trío con una pareja a la que ya ha visto varias veces y que parece cumplir su requisito de "estar empezando a experimentar sexualmente" (Nick y Leah, interpretados por Jan Hilmer y Shanti Carson), y finalmente alcanza un orgasmo, y el apagón que afecta a Nueva York termina, al igual que la película.