莫斯科不相信眼淚影片講述十七歲的女工卡捷琳娜因天真幼稚和充滿幻想而冒充教授的女兒，并愛上了電視臺攝影師魯道夫，進而懷了孕。不久，魯道夫發現真相并拋棄了卡捷琳娜。但卡并未就此消沉，她一面撫養孩子，一面發憤讀書，終于在十六年后成為莫斯科一家大廠的廠長。此后，卡捷琳娜又結識了電焊工果沙，并一直隱瞞自己的身份。真相再一次暴露后，卡捷琳娜在女友們的幫助下，經過一番周折終于結束了單身生活，得到了一個女人真正的幸福。