Le film se situe dans le New York contemporain et tourne autour d'un personnage joué par la chanteuse canadienne Sook-Yin Lee. (Lee avait fait un passage anonyme dans Hedwig and the Angry Inch). Lee joue Sofia, une femme mariée, thérapeute de couple et sexologue, qui n'a jamais elle-même eu d'orgasme. Elle rencontre un couple d'homosexuels, Jamie (PJ DeBoy) et James (Paul Dawson); ce dernier, ancien prostitué, suggère qu'ils ouvrent leur couple à d'autres partenaires.

Lors de leur première consultation, Sofia craque et gifle Jamie. Le couple lui suggère de fréquenter une fête et orgie sexuelle hebdomadaire appelée Shortbus, animée par un travesti (Justin Bond de Kiki & Herb). Sofia s'ouvre peu à peu à une nouvelle sexualité, et devient l'amie d'une dominatrice surnommée Severin (qui a honte de s'appeler en réalité Jennifer Aniston).

L'incapacité de Sofia à atteindre l'orgasme devient une source de conflit entre elle et son mari Rob (Raphael Barker). Rob commence à fréquenter le Shortbus avec Sofia.

James et Jamie rencontrent un jeune chanteur homosexuel, ancien mannequin, Ceth (Jay Brannan), et entament une relation sexuelle avec lui. La vie de James et Jamie est espionnée depuis 2 ans par leur voisin Caleb (Peter Stickles). Caleb craint que l'arrivée de Ceth ne détruise le couple de James Jamie ; il se rend à Shortbus et affronte Ceth.

Sofia commence à fréquenter un sauna muni d'une chambre d'isolation avec Severin, et elles ont des discussions intimes. Severin tente d'aider Sofia à s'ouvrir sexuellement. Sofia aide Severin dans ses relations personnelles. Un soir, pendant un Shortbus, Severin discute avec Sofia de son rêve d'abandonner son activité de dominatrice et de devenir artiste. Elles ont une "relation sexuelle" spontanée, à l'issue de laquelle Sofia se retrouve une nouvelle fois frustrée, allongée sous une partenaire en plein orgasme.

James est constamment en train de se filmer : ce film est en fait une sorte de lettre de suicide ; il tente de se donner la mort par noyade après avoir absorbé des somnifères. Il est sauvé par Caleb, qui appelle les secours mais est trop gêné pour rester avec James, et écrit son numéro de téléphone sur le front de James. Après que James se réveille à l'hôpital, il contacte Caleb, se rend chez lui, mais n'appelle ni Jamie ni Ceth.

À ce stade, trois scènes s'imbriquent pour illustrer les liens entre les personnages, leurs problèmes émotionnels et leurs sexualités :

Le film s'achève avec une chanson de Justin Bond au Shortbus pendant la panne de courant. Sofia arrive et trouve Rob avec Severin ; elle les salue et va s'asseoir de son côté. James et Jamie arrivent également, suivis de Ceth et Caleb.

La chanson commence sur une note nostalgique et progresse vers des tons énergiques et optimistes, culminant avec l'arrivée d'une fanfare. Parallèlement, les actions et émotions des personnages se développent : Jamie et James s'embrassent sur la piste de danse, offrant un spectacle érotique à Ceth et Caleb assis dans un sofa ; Rob se trouve une amie et Severin passe de l'anxiété à l'exaltation avec l'arrivée de la fanfare ; Sofia a une relation sexuelle triangulaire avec Nick et Leah (Jan Hilmer et Shanti Carson), un couple qui la fascinait au long de l'histoire, et parvient enfin à l'orgasme. Le film s'achève sur la fin du blackout new-yorkais de 2003.