Alur yang digunakan dalam film ini adalah alur maju-mundur, dimana pada awal cerita digambarkan  sosok Habibie yang sudah tua dan masih sering kali mengingat ibu Ainun dan tidak segan-segan untuk berbagi cerita tentang beliau dan ibu Ainun kepada cucu-cucunya.
Ceritanya berawal dari pertemuan pertama Rudy Habibie seorang pemuda yang sangat polos, pemalu, tapi juga sangat pintar dengan Ainun seorang gadis yang manis, menawan, pemberani, gigih, dan juga pintar sama seperti Rudy di sebuah sekolah menengah atas, dimana Rudy yang mulai menyukai Ainun dan kemudian memberikan julukan kepadanya yaitu "gula jawa". Begitupun dengan Ainun yang ternyata diam-diam juga sering memperhatikan Rudy.
Kemudian dalam film habibie & Ainun 3 ini juga diceritakan tentang perjuangan Ainun untuk menjadi seorang Dokter, berawal dari harapannya untuk bisa kuliah di Universitas Indonesia Fakultas Kedokteran yang kemudian menjadi kenyataan karna dia adalah murid yang pandai.
Cita-citanya untuk menjadi Dokter bukan tanpa sebab, ia ingin bisa membantu orang banyak yang sedang sakit dan kesulitan untuk berobat karna faktor ekonomi maupun lingkungan sekitar yang tidak memadai, ia ingin menjadikan Indonesia lebih maju dan hebat.Â
Selain itu ibunya adalah seorang bidan pada masa penjajahan Jepang, melihat usaha keras ibunya dalam menolong orang walau sedang terancam oleh Jepang membuat Ainun semakin bertekad untuk menjadi Dokter dan menyelamatkan banyak orang.
Dalam usaha mengejar cita-citanya, Ainun banyak mendapat komentar miring dan cemoohan karena masih banyak orang beranggapan bahwa wanita lebih baik di dapur daripada menjadi seorang Dokter. Segala cacian itu Ainun hadapi dengan sabar dan Ikhlas, tidak heran jika Ainun banyak disukai oleh para pemuda di tempat ia kuliah.
Film Habibie & Ainun 3 ini memberikan suasana baru dengan hadirnya sosok Ahmad yang diperankan oleh Jefri Nichol dan dalam cerita tersebut ia merupakan mantan kekasih dari Ainun.Â
Berkebalikan dengan Habibie yang serius dan polos, Ahmad tampil lebih segar dengan sifatnya yang ceria dan agak kekanak-kanakan. Dia kelihatan serasi dengan  Ainun.Â
Kisah cinta mereka sangat indah dan dramatis. Bahkan di suatu moment Ahmad membuktikan keseriusannya kepada Ainun dengan melamarnya.Â
Namun seiring berjalannya waktu tujuan dan pikiran mereka tidak selaras lagi, dimana Ahmad ingin mengajak Ainun untuk hidup di luar negeri dan mengembangkan kemampuannya disana, memang hal ini sangat bertolak belakang dengan prinsip Ainun yang begitu nasionalisme serta cinta Indonesia. Maka dari itu terputuslah hubungan asmara mereka.
Kemudian diceritakan juga bagaimana Ainun berhasil menjadi lulusan terbaik Fakultas Kedokten Universitas Indonesia sekaligus membuktikan bahwa wanita tidak selalu di dapur, tapi wanita juga bisa bekerja dan meraih impiannya serta menjadi bagian dari kemajuan Indonesia.
