Giống như phiên bản nhạc kịch gốc, Gái mơ được chia làm hai hồi: hồi đầu lấy thời gian từ 1962–1966, hồi sau từ 1973 đến 1975.

Hồi I

Bộ phim khởi đầu tại thành phố Detroit, Michigan vào năm 1962, khi một nhóm hát nữ nghiệp dư người Mỹ gốc Phi mang tên The Dreamettes tham dự một cuộc thi âm nhạc tài năng tổ chức tại nhà hát Detroit. Ở hậu trường, ba cô gái trẻ – bao gồm ca sĩ hát chính Effie White (Jennifer Hudson) cùng Deena Jones (Beyoncé Knowles) và Lorrell Robinson (Anika Noni Rose) gặp được Curtis Taylor, Jr. (Jamie Foxx), một tay kinh doanh xe Cadillac có nhiều tham vọng, với kế hoạch định lấn sân sang thị trường âm nhạc. Trở thành ông bầu của nhóm, Curtis sắp xếp cho Dreamettes lưu diễn với vai trò nhóm hát bè cho ngôi sao R&B địa phương, Jimmy Early (Eddie Murphy). Tour diễn còn có sự tham gia của em trai Effie, C.C. White (Keith Robinson), là một nhạc sĩ viết ca khúc, cùng người quản lý của Jimmy, Marty (Danny Glover); và đã đi dọc khắp nước Mỹ, ở các địa điểm chitlin' circuit[a].

Việc hát bè cho ca sĩ nhạc soul Jimmy Early đã đem lại thành công ban đầu cho ba cô gái Dreamettes.

Với hy vọng đem Jimmy và các cô gái đến với số đông thính giả, Curtis thành lập hãng thu âm riêng của mình mang tên Rainbow Records ("Âm thanh của tương lai"), bên ngoài văn phòng giao dịch ô tô của anh ta, và đưa C.C. làm nhạc sĩ sáng tác chính của công ty. Tuy nhiên, đĩa đơn đầu tiên của Rainbow lại thất bại sau khi một nhóm pop da trắng phát hành phiên bản cover. Curtis và người cộng sự, Wayne (Hinton Battle), hối lộ cho các đài phát thanh để phát sóng các ca khúc của nhóm. Nhờ vậy, Curtis đã giúp Jimmy và các cô gái leo lên vị trí đầu của bảng xếp hạng Billboard Hot 100, đồng thời có được một đêm diễn đắt giá ở nhà hát Apollo. Effie nhanh chóng trở nên mê đắm với Curtis dẻo miệng, và Jimmy – một người đã có vợ – lại khởi đầu mối quan hệ yêu đương với Lorrell.

Marty trở nên bất mãn với kế hoạch của Curtis, đã biến hình ảnh và âm nhạc của Jimmy trở nên pop hóa, và vì thế ông đã cắt đứt quan hệ với Jimmy, ở vai trò người quản lý lẫn bạn bè. Tuy nhiên sau đó Curtis lại nhận ra rằng không thể hoàn toàn biến Jimmy thành một ngôi sao pop, anh đã chuyển mối quan tâm sang nhóm Dreamettes. Thấy rằng giọng hát của Effie quá đặc biệt hơn bình thường và cô lại có vóc dáng quá to béo để thu hút khán thính giả da trắng, Curtis quyết định đưa Deena mảnh mai và xinh đẹp trở thành người hát chính. Dù rằng cả Effie và Deena đều phản đối quyết định này, nhưng họ vẫn phải buộc chấp nhận sự thay đổi đó.

Với những ca khúc mới và hình ảnh mới đầy hấp dẫn, The Dreamettes trở thành The Dreams, một nhóm nhạc pop hàng đầu mà độ nổi tiếng có thể sánh ngang với ban nhạc đến từ nước Anh The Beatles năm 1965. Dù vậy, Effie vẫn không thể hài lòng vì bị Deena thế chỗ, cô bắt đầu cư xử mất bình tĩnh, đặc biệt khi nhận ra tình cảm của Curtis cũng chuyển sang phía Deena. Khi Effie cảm thấy không khỏe và từ bỏ buổi diễn tập của Dreams cho đêm diễn mừng tất niên 1966 tại Las Vegas, Curtis đã thay thế vị trí của cô bằng thư ký của anh ta, Michelle Morris (Sharon Leal). Sau khi biết mình đã có thai, Effie quay trở lại Caesar's Palace và gặp Michelle ở đây. Sau một cuộc tranh cãi nảy lửa với tất cả mọi người, Effie cuối cùng cay đắng nhận ra cô đã mất đi tất cả, mất đi nhóm nhạc mà cô đã gắn bó, mất đi người em trai, và mất đi Curtis.

Hồi II

Deena (trái) và Curtis (phải), trong cảnh của bài hát "When I First Saw You", khi Curtis đang cố gắng thuyết phục Deena tham gia dự án phim Cleopatra.

Tám năm sau, năm 1973, Effie lúc này đã trở thành một bà mẹ của một cô con gái 8 tuổi, tên Magic (Mariah I. Wilson). Họ cùng sống với nhau trong một khu phố cũ của Detroit, với sự quan tâm duy nhất của cha Effie, ông Ronald (Alexander Folk). Sự nghiệp âm nhạc của cô đã qua, và Effie vẫn đang phải tìm kiếm một công việc hát mới, nên hai mẹ con vẫn phải sống nhờ tiền trợ cấp. Trong khi đó, Rainbow Records đã chuyển cơ sở tới Los Angeles, việc kinh doanh rất thành công với nhóm nhạc hàng đầu Deena Jones & The Dreams cùng nhiều ngôi sao khác. Để mở rộng đế chế của mình sang lĩnh vực điện ảnh, Curtis đã bắt Deena, lúc này đã là vợ anh, dù không thích vẫn phải tham gia dự án làm bộ phim nhạc kịch blaxploitation[b] mang tên Cleopatra, làm lại từ bộ phim cùng tên năm 1963.

Dù vẫn thuộc đội ngũ ngôi sao của Rainbow, nhưng vị thế của Jimmy Early đã trở nên mờ nhạt, và Curtis rất ít quan tâm đến việc đổi mới hình ảnh và phong cách cho Jimmy. Không thỏa mãn với người vợ Melba (Dawnn Lewis) của mình và cả cô người tình lâu năm Lorrell, Jimmy tìm đến với ma túy. Mặt khác, mối quan hệ của C.C. và Effie vẫn tiếp tục xa cách, và Effie bướng bỉnh vẫn phớt lờ tất cả những thư từ và tiền bạc C.C. gửi tới cho cô. Cuối cùng, Effie đã phải dẹp bỏ tính kiêu ngạo vốn có, và được Marty, với vai trò người quản lý mới, giúp cô đi hát trở lại tại một câu lạc bộ nhỏ ở Detroit.

Năm 1974, Rainbow Records tổ chức chương trình truyền hình đặc biệt nhân kỷ niệm 10 năm thành lập. Giữa chương trình, Jimmy quyết định rằng anh không thể hát "những bài ca buồn" thêm nữa, và anh bùng nổ sân khấu với một phong cách funk kiểu James Brown đầy phóng túng. Những khán giả dường như thích thú sự thay đổi đó, tuy nhiên màn biểu diễn đã đi quá xa khi Jimmy cởi quần dài ngay giữa sân khấu, khi đang truyền hình trực tiếp. Bởi thế, Curtis tức giận và chấm dứt hợp đồng với Jimmy, và Lorrell nói lời kết thúc mối quan hệ kéo dài 8 năm của hai người. Không lâu sau, Deena gặp một nhà sản xuất phim (John Lithgow) và nhà viết kịch bản (John Krasinski); cô nhận ra rằng chính sự trói buộc của Curtis đã cản trở khả năng của cô ở những lĩnh vực khác. Ở hãng thu âm, C.C. phản ứng với bản thu mới do Curtis sản xuất, đã biến thông điệp trong ca từ và âm nhạc của bài hát anh viết, trở thành một sản phẩm thương mại vô hồn. Cuộc họp đã bị ngắt quãng bởi những tin tức mới được đưa tới, và tiếng hét đau khổ của Lorrell trước khi chạy vào phòng. Trong khi Deena đang cố gắng an ủi cô, những người khác trong nhóm mới biết được nguyên do từ tin tức trên tivi: Jimmy 'Thunder' Early, đã được tìm thấy chết tại khách sạn L.A., có thể là do sử dụng heroin quá liều.

The Dreams: (từ trái qua) Michelle, Deena, Lorell; trong cảnh quay ca khúc "One Night Only" (phiên bản disco) mà đã trở thành một hit lớn trong phim.

C.C., tức giận về cái chết của Jimmy và những gì Curtis làm với âm nhạc của anh, đã rời bỏ Rainbow Records. Anh quay trở lại Detroit và tìm gặp Effie. Hai chị em hòa giải với nhau và cùng thực hiện đĩa đơn đánh dấu sự trở lại của Effie, "One Night Only". Ngay khi ca khúc mới được phát trên sóng phát thanh ở Detroit, Curtis phá bằng cách hối lộ cho những DJ, khiến họ phát sóng bản cover phong cách disco của Deena Jones & The Dreams thay thế bản gốc của Effie. Phiên bản của The Dreams sau trở thành một hit cỡ lớn vào đầu năm 1975.

Curtis cũng đã biết về việc Deena gặp gỡ những nhà sản xuất phim khác, anh ta áp đặt bắt Deena từ bỏ dự định. Bị cự tuyệt, Deena lén vào văn phòng của Curtis và phát hiện ra những bằng chứng Curtis hối lộ các đài phát thanh, đồng thời tìm thấy bản thu "One Night Only" của Effie. Trong sự tức giận, cô đã gọi đến Effie và C.C.. Hai người họ cùng Marty và luật sư tới trụ sở Rainbow. Ở đây, trong khi Effie và Deena hòa giải với nhau, Curtis bị buộc phải chấp nhận thỏa thuận: hoặc họ sẽ tố cáo anh ta lên FBI vì những hành vi hối lộ (mà bằng chứng do Deena cung cấp), hoặc anh ta sẽ phải tài trợ cho hãng đĩa mới của C.C., cho phép phân phối đĩa đơn của Effie trên toàn quốc. Curtis sau đó đe dọa Deena, và cô quyết định sẽ rời bỏ Curtis để tìm con đường đi riêng của mình.

Cuối cùng, Deena Jones & the Dreams tổ chức một buổi biểu diễn chia tay ở Nhà hát Detroit. Phần cuối chương trình, Effie tái hợp với Deena, Lorrell và Michelle trên sân khấu. Họ cùng hát ca khúc đã gắn với tên tuổi của nhóm, "Dreamgirls", do Effie hát chính. Lúc đấy, Curtis bỗng nhận ra cô bé Magic đang đứng ở hàng ghế trước mặt chính là con gái của mình.