Juliette, quinze ans, est liée d'un amour exigeant avec un garçon de son âge, Thomas. Pour elle, il est important de distinguer "filles" et "garçons" de "femmes " et " hommes ", les premiers étant des gens avec qui une fille comme elle peut parler de vivre, les autres présentant moins d'intérêt du fait qu'ils "ne pensent qu'à ça".
Thomas doit partir en vacances avec son père Willy, et celui-ci doit accepter que Juliette vienne avec eux. Après une hésitation sur le choix du lieu, ils se retrouvent tous trois aux Baléares, dans une superbe propriété d'Ibiza. La jeune femme de l'agence immobilière, qui a pris soin de laisser la piscine vide selon le souhait de Willy, leur parle de l'ilot en face, Velra, où un saint fut autrefois exilé avant de fonder un ordre. Bien qu'elle leur ait déconseillé, à cause des courants, d'effectuer la traversée à la nage, Thomas s'y risque quand même le lendemain.
Juliette n'a pas le courage de s'assurer qu'il y parvient et cherche à être rassurée par Willy, avec qui elle passe toute la journée avant le retour de Thomas, tard le soir. Willy, qu'elle considérait comme un "garçon", devient peu à peu à ses yeux un "homme"; il lui dit même être amoureux d'elle. Juliette décide alors de lui inventer un gage : "le séduire, lui faire tourner la tête, pour le faire tomber et s'en débarrasser", de sorte que personne n'essaie de la séparer de Thomas.
Willy, qui sent le gâchis approcher, se rétracte et part à la ville, laissant Juliette et Thomas penser qu'il a rendez-vous avec la jeune femme de l'agence. Thomas est irrité par ce petit jeu, tandis que Juliette souligne les contradictions de Willy qui parle de sentiments alors qu'il n'est qu'"un séducteur, un cochon". Elle avoue pourtant qu'il est devenu pour elle plus important que prévu et qu'elle se déteste pour cela.
Leur étreinte n'est pas sans conséquence, altérant la relation de Thomas à son père. Celui-ci part. laissant Juliette se persuader qu'elle a suivi son plan et que Thomas est plus fort.
La Fille de quinze ans saisit un moment crucial dans l'éducation sentimentale des jeunes filles en confrontant, dans le regard et le cur d'une adolescente (Judith Godrèche) l'image du père (Jacques Doillon) et celle du premier amour (Melvil Poupaud).