舞台はロサンゼルス。高速道路は朝の大渋滞となっており、多くのドライバーが苛つきからクラクションを鳴らしている。一台の車の中からひとりの女性が降りたことをきっかけに、オープニング・ナンバー "Another Day of Sun が始まる[注釈 1][15]。

渋滞の中に巻き込まれていたミア（演：エマ・ストーン）は女優の卵で、車中で台詞を覚えようとするが、後続車を運転していたセブ（演：ライアン・ゴズリング）に煽られて悪態をつく。ハリウッドにあるワーナー・ブラザースの撮影所[14][16]でカフェ店員として働きつつ夢を追うミアだが、オーディションの結果は散々で、一向に役はもらえない。一方のセブはジャズピアニストで、歴史ある店が売れないジャズを諦める現状を嘆き、古き良きジャズを愛でる自分の店を開く夢を持つが、実際には姉ローラ（演：ローズマリー・デウィット）にも身を固めるよう諭される始末である。

ある日オーディションに落ちたミアは、ルームメイトのトレイシー（演：キャリー・ヘルナンデス（英語版））・アレクシス（演：ジェシカ・ローテ）・ケイトリン（演：ソノヤ・ミズノ）に誘われ、クリスマス・パーティに参加することになる ("Someone in the Crowd") 。顔を売るための出席だったが思うようには行かず、挙げ句車がレッカーされてしまったミアは、夜道を歩いて帰路につく。通りかかったバーから偶然聞こえてきた音楽 ("Mia & Sebastian’s Theme") に惹かれてレストランへ入る。 音の主は高速道路で煽ってきたセブで、ミアは曲に惚れ込んで声を掛けようとするが、契約通りの曲を弾かなかったことで解雇されたセブは、彼女を邪険に扱って店を出る。
春

ミアは相変わらずオーディションを受け続けている。ある日パーティに参加した彼女は、バンドでa-haの『テイク・オン・ミー』を演奏するセブを見つけ、フロック・オブ・シーガルズの "I Ran (So Far Away)（英語版）をリクエストするが[17]、本物のアーティストと自負するセブはこの選曲に憤慨する。ミアは纏わり付く脚本家を振り切ろうと、セブと一緒にパーティ会場を離れるが、近くには自分と同じプリウスが大量に駐車されていて自分の車を見つけられない。ミアの車を探して坂にさしかかったふたりは、夕焼けの美しさを前に、恋が始まりそうなふたりならどんなにロマンチックか語り合う ("A Lovely Night) [注釈 2]。

数日後、セブは撮影所に忍び込み、仕事上がりのミアとふたりで中をうろつきながら、互いの身の上や夢を語り合う。その中でミアは「ジャズが嫌いだ」と話し、セブは本物のジャズを教えるとクラブへ連れて行く ("Herman's Habit") 。ふたりはミアの後学のため『理由なき反抗』のリバイバル上映を観に行く約束をして別れ、その後セブは埠頭でひとり "City of Stars を歌う[19]。

ふたりの約束の日。しかしミアはボーイフレンドとの先約をすっかり忘れていた。ミアは仕方なく食事会に向かう。浮かない食事の最中に彼女の耳に聞こえてきたのはBGMとして流れていたMia & Sebastian's Theme。 彼女はボーイフレンドに別れを告げ、セブの待つ映画館へ向かう。トラブルから上映は途中で終わるが、その後ふたりは映画のロケ地にもなったグリフィス天文台を訪れてワルツを踊り、ふたりの交際が始まる ("Planetarium") 。

夏

ふたりはデートを重ね、同棲するアパートで互いに夢を追いながら "City of Stars" をデュエットする[19]。関係は良好だったが、セブは店の資金がなく、ミアは女優としてのチャンスをつかめずにいた。セブの助言を受けてミアは一人芝居の脚本を書き始める。また、ミアはセブの店のロゴを「Seb's」にしようと語るが、チャーリー・パーカーを敬愛するセブは「Chicken On A Stick」[20]がいいと譲らない。同時期、セブはジャズバーで旧友キース（演：ジョン・レジェンド）と再会してバンド加入の誘いを受ける。しかし、二人の音楽には方針の不和があった。キースのバンドはジャズにロックやダンスミュージックなどを融合させた斬新な音楽だったため、古き良きジャズを好むセブは違和感を抱く。キースは「ジャズを守りたいのなら、まずは聞いてもらわなくてはいけない。セブが敬愛するチャーリー・パーカーやマイルス・デイヴィスはジャズに革命を起こし、過去を変えた人達ではないのか。それなのにセブは過去に囚われすぎている」と語る。キースの考えを否定できず、店の資金のためもあり、バンドへ加入する。ライブを訪れたミアは、バンドの曲 "Start a Fire[21]がセブの求める音楽ではないと気付くが、バンドは大成功し、ふたりの生活はすれ違うようになる。
秋

セブとキースのバンドはツアーに繰り出し各地を飛び回る生活だが、一方のミアは、アパートに残って一人芝居の準備に取り掛かっていた。ある日ミアがアパートに帰ると、彼女を驚かせようと帰ってきたセブがいる。ミアと共に過ごしたいセブはツアーに同行しないか聞くが、公演が目前に迫っているミアはこれを断る。ミアはさらに、自分の店を開く夢はどうなったのか、バンドの音楽は本当にやりたい音楽なのかを問いただす。ふたりは口論になりミアはアパートを飛び出す。

ミアの公演当日、セブは忘れていた雑誌撮影があることを知らされる。公演の客入りはまばらで、終演後に酷評を聞いたミアは故郷ボウルダー・シティ（英語版）に帰ることを決意する。セブも撮影を途中で切り上げて劇場へ向かうが、終演には間に合わず、ミアには夢の終わりを告げられる。

数日後、セブはキャスティング担当者からミアの舞台が目にとまったと知らせを受け、ミアの話を元に彼女の実家を訪れてオーディションに行くよう説得する。ミアはオーディションでおばの話を引きつつ、夢追い人の素晴らしさを語る ("Audition (The Fools Who Dream)) [22]。オーディション後、かつて訪れた坂[注釈 3]にたどり着いたふたりは、互いに愛し合っていることを確認し、夢にあふれた未来を語る。
エピローグ・5年後の冬

ミアは大女優になり、娘もいる母親だが、その父親はセブではない。一方のセブは夢を叶えて、古き良きジャズを愛でる自分の店を開いていた。ある夜、夫と共に出かけたミアは、プロローグ同様に渋滞に巻き込まれ、高速道路を降りて偶然セブのバーに入る。ミアは店名とロゴがかつて自分が考えたものだと気付き、セブも客にミアがいると気付いて、ミアが最初に惚れ込んだ曲 ("Mia & Sebastian's Theme") を弾き始める。曲の始まりと共に、セブとミアが結ばれていた場合のパラレルワールド的な5年間が、映画を振り返る走馬燈のように描かれる ("Epilogue") 。曲が終わったところでミア夫妻は店を出るが、最後にふたりは、互いの気持ちを理解するように見つめ合いそれぞれの生活に戻って行った。
キャスト

※括弧内は日本語吹替

セバスチャン（セブ）・ワイルダー - ライアン・ゴズリング（内田夕夜[23][24]）：本作の主役

ミア・ドーラン - エマ・ストーン（武田華[23][24]）：女優志望の女性

キース - ジョン・レジェンド（祐仙勇[23][24]）： セブの旧友