Trilleri "Berlinin syndrooma" perustuu australialaisen kirjailijan Melanie Joostenin samannimiseen romaaniin, josta hän sai parhaan nuoren kirjailijan Kathleen Mitchell -palkinnon vuonna 2012, kirjan julkaisuvuonna. Termi "Berliinin oireyhtymä" viittaa itse asiassa Nijmegen Breakage -oireyhtymään, joka on harvinainen, synnynnäinen sairaus, jossa DNA:n korjaustoiminto on häiriintynyt. Kromosomien hauraus johtaa oireisiin, kuten kasvun viivästymiseen, pieniin kalloihin ja myös mielenterveysongelmiin. Cate Shortlandin elokuvan nimessä termi viittaa muunnetussa muodossa Tukholman oireyhtymään – psykologiseen ilmiöön, jossa panttivangin ottamisen uhri kehittää myötätuntoa panttivangin ottajaansa kohtaan.
Clare (Teresa Palmer) on kotoisin Australiasta ja on kuvajournalisti, joka on lomalla Berliinissä reppumatkailijana. Pian heidän saapuessaan Saksan pääkaupunkiin heidän matkansa kestää miellyttävän käänteen, koska Clare tapaa miellyttävän Berliner Andin (Max Riemelt). Hän tuntee heti vetoa häneen, joten yksi asia johtaa toiseen ja molemmat päätyvät sänkyyn yhdessä. Yhden yön lepotilan jälkeisenä aamuna Clare haluaa jälleen poistua Andin huoneistosta, mutta saa selville, että uusi ystävä on lukinnut hänet. Aluksi Clare uskoo tekemänsä vahingossa tämän virheen mennessään töihin, kun hän vielä nukkui. Mutta koska hänen on pian selvitettävä, Andilla ei ole aikomusta koskaan päästää häntä uudestaan. Hänen huoneistosta tulee hänen vankilansa ja loma muuttuu kauhumatkaksi.