Preservação do meio ambiente e exercício da cidadania eram os pilares de Coração de Estudante. O professor de Biologia Edu (Fábio Assunção) é um homem idealista que se muda com o filho Lipe (Pedro Malta) para a charmosa e fictícia cidade de Nova Aliança, em Minas Gerais, em busca de qualidade de vida. Edu é noivo de Amelinha (Adriana Esteves), filha do rico e ganancioso fazendeiro João Mourão (Cláudio Marzo). Mas essa relação se desestabiliza quando Edu se apaixona pela sonhadora advogada Clara (Helena Ranaldi), filha de Lígia (Jussara Freire) e do experiente advogado Raul Gouveia (Marcos Caruso). Edu é pai solteiro e procura estar sempre presente na vida de Lipe, tentando mantê-lo afastado da mãe, Mariana (Carolina Kasting), cuja dependência química e consequente irresponsabilidade não lhe deram condições de criar o filho.
O futuro sogro de Edu, João Mourão, é o maior empresário de Nova Aliança: é dono de uma fazenda, um laticínio, um frigorífico e uma empresa de viação, todos batizados com o nome de sua falecida esposa, Vitória. Ele é a força motriz da economia do município e o maior empregador da cidade, exercendo grande poder sobre os habitantes. João desconfia dos verdadeiros interesses de Edu em relação à filha. A implicância só aumenta quando ele descobre que o rapaz é grande defensor da natureza e das leis de proteção ambiental, o que o transforma em rival na briga por um trecho de mata virgem. A área é cobiçada pelo fazendeiro e, há seis anos, alvo de disputa na justiça para torná-la de proteção ambiental. Edu tem Clara como aliada nessa briga.
Clara é professora e responsável pelo escritório modelo do curso de Direito da Universidade Estadual de Nova Aliança (Uena), onde Edu começa a dar aulas. Ela namora Leandro Junqueira (Marcello Antony), coordenador do curso de Agronomia da universidade, carreirista que finge ser aliado do reitor Ronaldo Rosa (Leonardo Villar), mas, na verdade, é um espião de João Mourão no universo estudantil. Leandro é apaixonado pela namorada, com quem deseja se casar. A aproximação de Edu e Clara não agrada nem a Leandro nem à Amelinha, que se sentem ameaçados com essa amizade.
Clara e Edu realmente se apaixonam e vivem um romance que, além da interferência de Amelinha, é abalado pela chegada à cidade do promotor Pedro Guerra (Bruno Garcia). Sedutor e bem-humorado, Pedro Batalha – como Clara passa a chamá-lo – tenta de todas as formas conquistar o coração da advogada, que conta com a sua ajuda e a da detetive Matilde (Cláudia Lira) nas investigações sobre o passado de Mariana. Durante a trama, Clara começa a se sentir em segundo plano na vida de Edu, envolvido nos problemas com Mariana, e abre uma brecha para um antigo pretendente, o filho do reitor Ronaldo Rosa, Júlio Rosa (Marcos Palmeira).
No decorrer da novela, Mariana entra com uma ação judicial reivindicando a guarda de Lipe e, com a ajuda de Leandro, autor de várias armações para desmoralizar Edu, ganha o direito de ficar com o menino nos finais de semana. Para não perder o filho de vez, Edu se casa com Amelinha, apesar de amar Clara. A filha de João Mourão dá à luz Joãozinho, um bebê com síndrome de Down.
Edu sempre relutou em deixar Lipe com a mãe, porque Mariana nunca aceitou fazer tratamento e livrar-se da dependência química. Sob o efeito de drogas, ela chegou a atropelar seu irmão, Joaquim (Marcelo Escorel). Disposto a destruir a vida do professor, Leandro se envolve com Mariana e, no fim da novela, tenta levar Lipe à força para o exterior. O vilão, porém, é desmascarado pela própria Mariana, que participa de uma armadilha para que ele confesse seus crimes e vá preso. Coração de Estudante chega ao fim com a união feliz de Clara, Edu e Lipe, enquanto Mariana finalmente aceita iniciar um tratamento para deixar as drogas.
João Mourão se desarma ao descobrir que Clara é sua filha, fruto de um caso com Lígia. A notícia desagrada Amelinha, que ganha mais um motivo para não gostar da advogada, e Raul, que se choca com a traição da mulher.