Пол и Жанна встречаются взглядами среди суетящихся жителей Парижа: он только что пережил трагическую смерть своей жены, а она — молодая и не обремененная обязательствами парижанка. Так, неожиданно судьба распорядилась свести их вместе. Их роман начинается безмолвно и без предварительных ухаживаний, традиционных в таких случаях ритуалов. Неожиданно срабатывает механизм, отрицающий привычную схему взаимоотношений мужчины и женщины — тайный союз, со своими ролевыми моделями.
Прожив пять лет в несчастливом браке, главный герой так и не смог понять сущность любимого человека, и после ее кончины он остался с грузом вопросов, на которые так и не получил ответа. Случайная связь с Жанной может показаться и той последней «соломинкой», за которую хватается главный герой, и одновременно — это некий эксперимент с его сознанием и поиск нераскрытого чувственного потенциала.
Их связь можно назвать идеальной до того момента, когда Пол не решается под давлением общественных норм и правил раскрыться своей возлюбленной. В этот момент сказка заканчивается, поскольку молодая и легкомысленная Жанна понимает, что она вовсе не испытывает глубокой привязанности. Те тайны, которые герой таил в себе, исключительно называя ее на ты, держали ее в приятном сексуальном напряжении и придавали их тайному роману интригу. Параллельно героиня жила своей собственной жизнью (у нее есть молодой человек, который впоследствии делает ей предложение), чего никак нельзя сказать о герое Марлона Брандо, у которого кроме чувства вины за смерть жены по сути ничего не остается.
Роман окончательно рушится, когда он рассказывает о своей личной жизни, представ перед героиней обычным престарелым мужчиной со своей персональной трагедией. С этого момента он становится ей в тягость. Если до этого признания она была податливой и чувствовала некую зависимость от героя, то теперь ситуация развернулась в другую сторону — он, наслушавшись таких же великовозрастных приятелей и мать бывшей жены, понимает, что это его последний шанс, и решает вернуться в привычную парадигму общения. Это и становится для героя фатальным. А Жанна просто скучает, так что единственным способом избавиться от навязчивого бывшего поклонника становится его физическое устранение. Последние кадры фильма проходят в той же парижской квартире, в которой все начиналось. Она убивает его из отцовского пистолета, над которым герой постоянно потешался.
Фрейдистский подтекст в этой истории очевиден. За эротической атмосферой, которой зритель может увлекаться больше, чем взаимоотношениями главных героев, скрываются психологические конфликты, взращенные, в частности, самой Жанной. В отношениях с Полом она во многом проецирует его образ на свои воспоминания об отце — офицере, погибшем когда-то в Алжире. Своими отношениями со взрослым мужчиной она компенсирует недостаток общения с отцом — практически идеальное воплощение знаменитого юнгианского «комплекса Электры», неосознанном влечении девочек к собственному отцу и враждебности к матери из-за соперничества в поисках мужского внимания.
Подобного рода нестандартные модели взаимоотношений свойственны эстетике фильмов Бертолуччи в целом. Будучи поклонником фрейдизма и убежденным коммунистом, режиссер всячески отражал тему отрицания социальных норм и установок не только в своем творчестве, но и в личной жизни, за что некоторые актеры впоследствии отказывались с ним сотрудничать. Так, Марлон Брандо отказывался общаться с Бертолуччи на протяжении 15 лет после съемок «Последнего танго в Париже».
Кстати, большая часть реплик главного героя — результат импровизации Брандо. Актер отказывался учить предложенный сценаристом текст и записывал отдельные реплики на карточках, которые расставлял повсюду на съемочной площадке. Безусловно, это доставляло определенные неудобства Бертолуччи, которому в процессе съемок приходилось искать такие ракурсы, где эти карточки были бы не заметны зрителю.
Сам Марлон Брандо (как и его герой Пол) — жертва тяжелого детства, страдал дифлексией — неспособностью к обучению и адекватному общению с окружающими из-за особой уязвимости и чувствительности. Отец Брандо не позволял проявлять в семье теплые чувства, и даже простые объятия отца и сына ставились под запрет. К тому же мать будущего актера страдала от алкогольной зависимости. Все это в совокупности привело к тяжелой психологической травме, что впоследствии отразилось даже на личной жизни Брандо: он был трижды женат, и ни в одном из браков желаемого счастья достичь так и не удалось. Поэтому, вероятно, монологи главного героя фильма Пола — это личные переживания самого Брандо.
После появления «Последнего танго в Париже» в середине 1970-х сценарист Роберт Элли предпринял попытку написать роман с таким же названием, сохранив автобиографическую основу сюжета, которую вложил в фильм Марлон Брандо.
Исполнительница главной роли Мария Шнайдер впоследствии признавалась, что сцена с маслом, когда ее насилует герой Марлона Брандо, навсегда отразилась на ее психологическом состоянии. Этот эпизод фильма получился максимально натуралистичным: сцена снималась в один дубль, а ей самой пришлось пережить те чувства, какие переживает жертва насилия. В 2013 году Бертолуччи в интервью газете The Guardian, признался, что этот фрагмент картины снимали без согласия 19-летней Шнайдер. По словам режиссера, актрису решили не предупреждать о сцене насилия, чтобы добиться от нее настоящей реакции. «Я чувствовала себя униженной и, честно говоря, даже изнасилованной. С тех пор я больше не ем масла — только оливковое», — призналась в 2007 году Мария Шнайдер.