Сюжет сериала «Тайный дневник моей сестры» разворачивается вокруг Марины, которая замужем за Гошей уже 14 лет. Их брак переживает кризис после того, как у Марины случился выкидыш, а Гоша полностью ушёл в работу. В это же время Марина узнаёт о гибели своей старшей сестры Любы, которой она всегда завидовала за якобы идеальную жизнь. Не веря в версию несчастного случая, Марина находит дневник сестры и узнаёт, что Люба долгое время была несчастна и одинока. Эти откровения заставляют её начать собственное расследование, чтобы выяснить, что действительно случилось с её сестрой.
Марина начинает пересматривать свои взгляды на жизнь и на отношения с близкими. Её тревога и чувство вины за то, что она не смогла помочь сестре при жизни, подталкивают её к тому, чтобы докопаться до истины. Она встречает множество препятствий на пути, ведь многие не хотят, чтобы правда выплыла наружу. По мере того, как Марина погружается в тайны прошлого Любы, её собственная жизнь тоже начинает рушиться. Её брак с Гошей оказывается под угрозой, когда всплывают скрытые проблемы и обиды.
Сериал показывает не только сложные отношения между сёстрами, но и внутренний мир героини, её борьбу с болью утраты и поиском справедливости. Марина понимает, что её представление о жизни сестры было иллюзией, и ей предстоит разобраться в том, кто же на самом деле был виновен в смерти Любы. В конце концов, её расследование приводит к неожиданным открытиям, которые меняют её взгляд на многие вещи.