De Chinese tweelingzusjes Mia en Alexandra worden in 2003 als baby gevonden in een kartonnen doos. Ze komen in een kindertehuis en worden ter adoptie aangeboden, waarbij de autoriteiten kennelijk besluiten dat het goed is om ze uit elkaar te halen en het feit dat er sprake is van een tweelingzus te verzwijgen. Twin Sisters vertelt hun verhaal vanuit het perspectief van beide ouderparen; de een uit de grote stad Sacramento in de VS, en de ander uit een piepklein dorpje in het beeldschone Noorwegen. Door een reeks toevalligheden die ze later allemaal als het lot bestempelen, ontmoeten de ouders elkaar tijdens de adoptieprocedure in China en starten ze een onderzoek, waaruit blijkt dat de twee kleine meisjes zusjes zijn. De meisjes groeien op in het besef dat er aan de andere kant van de wereld een tweelingzusje woont, en ook al verschillen hun levens enorm en is er sprake van een taalbarrière, de band tussen hen groeit. Als ze acht jaar oud zijn, komt de Amerikaanse Mia met haar ouders naar Noorwegen. Samen met de ontroerde en verwonderde ouders, observeren we de twee meisjes, die niet alleen uiterlijk maar ook in de manier van doen op elkaar lijken en die onmiskenbaar diep verbonden zijn.