Gilles est un brillant journaliste parisien lorsqu'une dépression le surprend. Il décide de quitter le Paris cynique et rieur pour se reposer auprès de sa soeur dans le Limousin. C'est là-bas qu'il rencontre Nathalie Sylvener, une femme magnifique, entière, sincère qui tombe instantanément amoureuse de lui. 
Elle quitte tout, emménage à Paris dans son petit appartement, se livre à lui sans retenue, sans cynisme et ne lui demande que d'en faire autant. Mais Gilles, qui croit lui aussi être amoureux, se rend compte que cette existence trop exclusive, trop passionnelle, l'ennuie. Nathalie l'avait pourtant prévenu, elle resterait avec lui jusqu'à ce qu'il lui demande de s'en aller.
Pour une fois dans un livre de Sagan, le personnage féminin est sans détours, sans mensonges, la femme d'une seule passion. Les dialogues sont purs, émouvants. Dans ce roman simple et complexe à la fois, on retrouve cette musique, ce phrasé, cette élégance des gens tristes, ce style enlevé, léger, joyeux et mélancolique si propres à Sagan. 
Un roman sur l'amour absolu, l'amour unique, dont chacun rêve. 
Un roman grave et lucide où Sagan explore les sentiments extrêmes et pousse ses personnages dans leurs plus secrets retranchements, avec l'acuité d'analyse d'une grande romancière. 
Une vraie redécouverte, un vrai plaisir. 
Un peu de soleil dans l'eau froide fut adapté au cinéma en 1971 par Jacques Deray et Françoise Sagan.