罗纮武（黄觉饰）因父亲离世再次回到贵州。12年前，好友白猫（李鸿其饰）被杀，罗纮武在追查凶手左宏元（陈永忠饰）的过程中，被凶手的情人万绮雯（汤唯饰）所利用。从此以后，这个神秘的女人构成了他所有的记忆、欲望、信念和梦魇，一段追寻之旅让他发现了被隐藏多年的秘密 。
万绮雯、凯珍
演员 汤唯
满口贵州话的驻唱歌手，罗纮武的爱人。在2D现实中她是危险神秘的万绮雯，在3D梦境中她是单纯善良的凯珍。
罗纮武
演员 黄觉
罗纮武入狱多年，出狱后回到贵州凯里，寻找自己的爱人万绮雯。在寻找的过程中，他回忆起与万绮雯度过的那个隐秘的夏天，以及好友白猫的往事。逃亡十二年后重返故地的罗纮武因为一张老照片回忆起万绮雯，他开始像侦探一样寻找她，找到了她的过去，找到了她现在的生活，也得知了她当年利用自己的阴谋。
左宏元
演员 陈永忠
行事狠辣的中年男子。万绮雯和罗纮武选择离开凯里跑到一个更远的地方去，却难逃被左宏元抓回的宿命。
该片是汤唯产后回归大银幕的首部作品。
片中汤唯、黄觉以及陈永忠的角色名字都是真有其人的演员和音乐人，而女主的名字一开始叫山口百惠，最终改成了“万绮雯” 。
在拍摄汤唯的镜头时，导演要求她身上要有被压坏的痕迹，但组里并没有特效化妆。于是汤唯就让黄觉找了块三角形的小瓦片，真的在皮肤上划出了刮痕。
黄觉在答应出演后，主动留出两个月体验生活，去学习凯里方言。
李鸿其在剧组中拍了两个月，但由于剧情需要，他的戏份被删减到了只剩几分钟 。
该片的片名取自智利小说家罗贝托·波拉尼奥的一本书。它的创作灵感来自夏加尔的画作、莫迪亚诺的小说和保罗·策兰的诗句。而片中那个长达60分钟的3D长镜头，是毕赣思考了好几年，用3D器材实拍的。
2017年6月，电影在贵州正式开机拍摄，共拍了九个月。而由于原定两个半月的拍摄周期绵延到次年2月，演员也因各自的安排离开剧组，拍摄时断时续。同时影片的投资也一再扩大。从原本投资的两千万，最后超到了四五千万。
影片的2D 3D观影体验是该片的焦点，而第70分钟观众戴上3D眼镜与角色交互，就像是“行为艺术”。电影语言异常独特，很浪漫的观影体验。罗紘武这个被身边所有人抛弃的角色，在2D部分如同侦探苦苦追寻着往日的爱人、破碎的记忆；进入3D部分，他在梦境里与曾经失去的人重逢，把亲情、爱情、友情一一寻回。这种动人的观影体验让现场观众共情，问及导演如果跟失去的人重逢会说什么，毕赣导演以片中台词给出了他的答案：如果有的话，可能就像电影里那样，我要把你最珍贵的东西抢走（网易娱乐评）。
《地球最后的夜晚》是一部彻底的导演作品，可以说，这部电影最大的演员不是汤唯、黄觉，也不是张艾嘉，而是导演毕赣。影片非常迷幻，标志性的诗化对白，使得全片如同梦呓，尤其是后半段的3D长镜头，梦境和现实交织，让人愈发看不清楚（新浪娱乐评） 。
