唐音自幼被章乐的父亲、唱片公司制作人章怀恩收养。她是个粗心大意、丢三拉四的女孩，唯一和别人不一样的，就是音乐课成绩特别好。音乐造诣很高的章怀恩明知唐音有天赋，却坚决不让她拉小提琴。章乐对唐音心存好感，唐音的善良和灿烂的笑容总让他感动。
唐音听从章怀恩的意志，去报考了其他专业。章乐深知唐音的音乐表现力，要她一定不能放弃小提琴，一切由他来安排。
章怀恩的前女友在留学时被唐音的生父、一个马来留学生的音乐天赋吸引，离开了他。唐音身上具备了父亲的天才，这让他又爱又恨。同学蓝岚向章乐真情表白，两人成了情侣。但章乐总觉得若有所失。
唐音考取音乐学院。章乐的马来同学刘星宇喜欢上了唐音，默默地向她示爱。章怀恩终于发现唐音和章乐的秘密，大怒中他让一直支持唐音的章乐滚出家门。章乐租了他的钢琴伴奏赵文芳家的小屋，暂时居住，却乐坏了一直暗暗热恋着章乐的赵文芳。
唐音在章怀恩的房间发现了他从前
...(阅读全文)和母亲的合影，她理解了章怀恩的心情。唐音向章怀恩道歉，并表白自己对他有如父亲般的热爱。章怀恩被她的音乐和亲情深深感动，发觉了自己内心的丑恶，他终于完全接纳了她。
刘星宇居然在吉隆坡街头看见了唐音，唐音在刘星宇的手机里果然看见了自己的照片。蓝岚主动向章乐提出分手，说她不想要徒具外表的爱情，她明朗地笑着，办理了出国留学手续。
吉隆坡举办一个音乐比赛，唐音发挥出色，获得了大赛冠军。颁奖时，她惊讶地发现有个跟自己长得一模一样的女孩，叫汀娜。唐音和汀娜发现两人同岁，而且出生地相同，可能是一对同胞姐妹。汀娜突然想出一个怪招，要和唐音交换身份，来互相发掘身世秘密。
汀娜偷偷与唐音换了护照，唐音无可奈何地接受了身份的变换，进入了汀娜的家庭。汀娜个性开放张扬，而唐音则善良文静。她们交换身份后，彼此周围的人都觉得她们性情有异。假汀娜终于看见自己父亲的照片，在父亲用过的琴房里，她觉得异常亲切，还在桌子抽屉里发现了父亲厚厚的手稿。
假唐音在家里寻觅母亲的照片，被章乐发现。刘星宇想起他以前和唐音说起过曾在吉隆坡见过一个和她长相相同的人。章乐和刘星宇都发觉身边可能是个冒名顶替的唐音。
假汀娜的温柔细致，让祖父母深受感动，祖父主动向她提起身世，表示了对当年阻挠汀娜、唐音父母婚事的后悔。祖父明白当年失散的双胞胎回来了。祖父慈爱地呼唤着唐音的真实名字，唐音找到了自己的血亲，悲欣交集，祖父带她去看了父母的合葬墓。唐音父母青春明朗的笑容，让唐音悲伤而感动。唐音在墓前拉了一首《梁祝》。
唐音将父母的合影带了回来，为了不刺激章怀恩，她没把照片挂起来，章怀恩发现了，主动帮她把照片挂在墙上。
汀娜答应接掌家族企业，让唐音一定要好好拉琴，完成在天上的父母的心愿。
一次演奏会上，情绪激动的赵文芳突然昏倒，被送往医院。赵文芳父亲告诉章乐，说赵文芳已生绝症，不久于人世，希望他能给年轻孤傲的赵文芳最后一点温情。长辈的拜托，让章乐觉得沉重。得知一切的唐音，出于对赵文芳的同情，要章乐对赵文芳更好一些。赵文芳知道唐音想把章乐让给她，生气地说，她不许唐音同情她，因为她还活着，还在享受生命的美好，尽管只有二十岁的生命，但她活得是那样恣肆，音乐演奏得又是那样才华横溢，她很满足。
赵文芳在演奏台上再次昏倒，唐音在病房看到了赵文芳的坚强和快乐、自立。唐音把赵文芳带进一场音乐比赛会场上，让赵文芳破格参加了演奏，她弹奏出生命的绝唱，震惊全场。赵文芳走了，走的从容，走的快活。章乐也随之失去踪影。
一场意外使唐音的手指骨折。唐音在电视上看见久不见面的章乐在接受采访，他当众宣告了对唐音的深情，并在电视里拉起《爱的寒喧》，说他拉小提琴是为了用琴声去爱他心中那个可爱的女孩。唐音用发炎的手发疯般地拉起二重奏，在电视下应和着他。
心情郁闷的唐音，在大赛上拉出了饱含思念和痛苦的柴可夫斯基，让所有评委和听众都为之沸腾。忽然出现的章乐走上台来，和唐音一起拉起了《梁祝》二重奏。章乐和唐音对视，发觉他们俩的爱情中经历了太多的误会和争取、磨擦，但双方的眼底还是蕴藏着深情。章乐对唐音说，音乐无国界，他要用西洋乐器去演绎亚洲音乐，此生与唐音永不分离
据悉，《双城变奏》这部耗资高达1千万林吉特(约合280万美元)的电视剧，曾在北京、吉隆坡、太平、槟城、热浪岛、云顶、金马仑和马六甲等多个地方实地取景拍摄。因此，观众除了在剧中与男女主人公一起分享他们的美好情感和坎坷经历之外，还可以领略到很多优美的风光。
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