Der etwa neunzehnjährige Ennis Del Mar nimmt im Frühjahr 1963 eine Stelle bei einem Schafzuchtbetrieb am Brokeback Mountain in Wyoming an. Dort lernt er den wenig älteren Jack Twist kennen, der schon den zweiten Sommer dort arbeitet. Ennis und er ziehen mit einer Herde Schafe hinauf ins Gebirge, um die Tiere zu hüten.
Das Verhältnis zwischen Ennis und Jack entwickelt sich im Laufe der Zeit zu einer Kameradschaft. Einer von ihnen kümmert sich um den Lagerplatz, während der andere tagsüber zwischen Weide und Lager pendelt und die Nacht bei den Schafen verbringt. Eines Abends ist Ennis zu betrunken, um den Rückweg zur Herde anzutreten, und bleibt deshalb im Lager. Jack legt sich in das einzige Zelt, und Ennis bleibt bei dem erlöschenden Feuer. In der Nacht fordert Jack den frierenden Ennis auf, mit in das Zelt zu kommen. Als sie nebeneinander liegen, zieht Jack im Halbschlaf Ennis’ Arm über seine Schulter; Ennis springt auf, und die Situation scheint zu eskalieren, als Jack versucht, ihn zu küssen. Doch stattdessen kommt es zum Sex zwischen den beiden Männern. Am nächsten Tag betonen beide, nicht schwul zu sein, und versichern sich gegenseitig, dass der Vorfall unter ihnen bleibt. Sie schlafen jedoch in der Nacht erneut miteinander.
Ein Kälteeinbruch bedeutet das Ende ihrer Arbeit und anscheinend auch das ihrer intimen Beziehung. Ennis kommt nicht mit dem Ende der gemeinsamen Zeit zurecht, was während des Lagerabbaus zu einer Schlägerei zwischen den beiden führt, bei der Ennis’ Blut die Ärmel ihrer Hemden befleckt. Zurück im Tal trennen sich ihre Wege. Auf Jacks Vorschlag, sich in der nächsten Saison erneut am Brokeback Mountain zu treffen, geht Ennis nicht ein. Nach Jacks Abreise bricht er in einer Seitengasse schluchzend an einer Hauswand zusammen.
Jack fragt ein Jahr später wieder nach Arbeit als Hirte auf dem Brokeback Mountain, in der Hoffnung, dass Ennis dasselbe tue. Aber der Schafzüchter Joe Aguirre hatte die beiden im Vorjahr beobachtet und macht unmissverständlich klar, dass er für Männer wie ihn, die „sich die Stange halten“ (Originaltext: “You stemmed the rose”),[3] keine Arbeit hat.
Vier Jahre danach – Ennis, der seine Verlobte Alma geheiratet hat, lebt mit dieser und zwei Töchtern in bescheidenen Verhältnissen und arbeitet auf einer Ranch. Da kündigt ihm Jack per Postkarte einen Besuch an. Ihrer Leidenschaft erliegend, küssen sich Jack und er bei ihrem Wiedersehen und werden zufällig von Alma beobachtet. Jack hat sich mit Rodeoreiten über Wasser gehalten, bis er dabei seine Frau Lureen, die Tochter eines reichen Landmaschinenhändlers, kennenlernte, mit der er einen Sohn hat. Seitdem führt er ein komfortables Leben und arbeitet als Maschinenverkäufer im Betrieb des Schwiegervaters. In einem Motel schlafen Jack und Ennis miteinander. Sie beschließen, sich zukünftig zu treffen, und verbringen nun zweimal im Jahr gemeinsame Zeit auf angeblichen Angelausflügen im Gebirge. Trotzdem wagen sie nicht den Schritt, ihre Familien zu verlassen und eine feste Beziehung miteinander einzugehen. Jack spricht das Thema immer wieder an, doch Ennis ist gegen eine gemeinsame Zukunft, da ihm sein Vater als Kind die Leiche eines Ranchers gezeigt hat, der wegen seiner Homosexualität grausam ermordet wurde. Er vermutet, dass sein Vater an der Tat beteiligt war. Aufgrund des traumatischen Kindheitserlebnisses fürchtet Ennis eine Entdeckung und zwingt sich, ein möglichst angepasstes Leben zu führen.
Wegen zunehmender Eheprobleme lässt sich Alma 1975 von Ennis scheiden. Als Jack von der Scheidung hört, macht er sich auf den Weg zu Ennis und hofft, dass sie nun zusammenleben können. Aber Ennis hält nichts von dem Vorschlag. Enttäuscht sucht Jack in Mexiko Kontakt zu Strichern. Auch seine Ehe leidet unter Spannungen. 1977 gibt Alma ihrem Ex-Mann Ennis zu verstehen, dass sie über seine Homosexualität Bescheid weiß, und dieser kann sich nur mühsam davon abhalten, sie deshalb zu schlagen. Die nächsten Jahre über treffen er und Jack sich wiederholt im Gebirge, doch vor allem Jack wird immer unglücklicher über die Situation. Beim Treffen im Frühjahr 1981 erfährt Jack, dass Ennis wegen seiner Arbeit erst im November wieder Zeit für eine Verabredung hat, und wird zornig. Er deutet an, in Mexiko gewesen zu sein, da Ennis zu selten Zeit für ihn habe, worauf dieser mit Eifersucht reagiert. Ennis bricht bei dem Streit zusammen und gesteht Jack, dass er dieses Leben, wie sie es führen, nicht länger aushalte. Aber Ennis’ Sehnsucht nach Jack ist ungebrochen. Kurz darauf trennt er sich von seiner Freundin Cassie.
Monate später bekommt er seine an Jack adressierte Postkarte mit dem Vermerk „verstorben“ zurück. Laut dessen Frau starb Jack beim Beheben einer Autopanne, als ihm eine vorspringende Felge das Gesicht zertrümmert habe. Eine eingeblendete stumme Szene, in der Jack von drei Männern brutal zusammengeschlagen wird, lässt offen, ob es sich dabei um Ennis’ Vorstellungen oder um tatsächlich Geschehenes handelt, ob Jack also in Wahrheit von homophoben Männern erschlagen wurde. Ennis reist zu Jacks Eltern, um sie zu bitten, Jacks Asche dessen Wunsch gemäß auf dem Brokeback Mountain verstreuen zu lassen. Er erfährt, dass Jack immer wieder erwähnt habe, er wolle mit Ennis eine Blockhütte in der Nähe errichten und die Ranch seiner Eltern bewirtschaften. Einige Monate vor seinem Tod habe er beschlossen, sich scheiden zu lassen und diese Pläne mit einem anderen Mann zu verwirklichen. In Jacks Zimmer entdeckt Ennis das blutverschmierte Jeanshemd, das dieser 1963 auf dem Brokeback trug. Er bemerkt, dass sein eigenes Hemd, das er glaubte damals auf dem Berg vergessen zu haben, in dem Hemd steckt. Jacks Vater weigert sich, Ennis die Asche seines Sohnes am Brokeback Mountain verstreuen zu lassen. Seine Mutter erlaubt ihm allerdings, die Hemden mitzunehmen.
Mitte der 1980er Jahre lebt Ennis in einem Wohnwagen, als seine älteste Tochter ihn besucht, um ihn zu ihrer anstehenden Hochzeit einzuladen. Sie vergisst ihre Strickjacke bei Ennis, die dieser daraufhin im Kleiderschrank verstaut. An der Innenseite der Schranktür hängt Ennis’ Hemd über dem von Jack; daneben ist die Postkarte mit der Ansicht des Brokeback Mountain, die Jack Ennis vor ihrem ersten Wiedersehen geschickt hatte, angepinnt. Ennis schließt einen Knopf von Jacks Hemd, streicht mit dem Daumen über die Karte und sagt mit Tränen in den Augen: „Jack, ich schwör’s dir …“.
