Em 1952, dois jovens argentinos, Ernesto Guevara (Gael García Bernal) e Alberto Granado (Rodrigo de La Serna), iniciaram uma viagem de motocicleta com o objetivo de descobrir a verdadeira América Latina.
Ernesto é um estudante de Medicina de 23 anos, especializado em leprologia, e Alberto, de 29, é bioquímico. O filme acompanha os jovens conforme descobrem a rica e complexa topografia humana e social do continente latino-americano.
Com um enorme e romântico espírito de aventura, os dois amigos deixam os arredores familiares em Buenos Aires montados em uma Norton 500 - 1939 avariada que eles chamam de La Poderosa. Embora a moto quebre durante a viagem de 8 meses, eles seguem pedindo carona.
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Quando começam a ver uma América Latina diferente - através das pessoas que encontram na estrada - a geografia diversa com que se deparam começa a refletir sua própria mudança de perspectiva.
A dupla segue até Machu Picchu, onde as majestosas ruínas e o extraordinário significado da herança inca lhes causam um profundo impacto.
Ao chegarem a uma colônia de leprosos na Amazônia peruana, os dois começam a questionar o valor do progresso da forma como é definido pelos sistemas econômicos que deixam tantas pessoas excluídas.
As experiências que vivenciam na colônia despertam dentro deles o homem que cada um viria a se tornar mais tarde, definindo a trajetória ética e política que permeará sua vida.
Baseado nos diários de Alberto Granado e do homem que mais tarde se tornaria "El Che", Diários de Motocicleta narra uma jornada de auto-descobrimento, rastreando as origens de um coração revolucionário.