Trên một hòn đảo tại Hy Lạp tên là Kalokairi, một cô gái sắp bước lên xe hoa khi mới 20 tuổi tên là Sophie Sheridan (Amanda Seyfried) gửi ba tấm thiệp mời cưới đến cho ba người đàn ông khác nhau ("I Have a Dream"). Các cô phù dâu và cũng là bạn thân của Sophie, Ali và Lisa, đến trước buổi kết hôn. Sophie tiết lộ cô vô tình tìm thấy quyển nhật ký của mẹ mình và biết được có đến 3 người có thể là bố của cô: Sam Carmichael (Pierce Brosnan), một nhà kiến trúc sư người Ireland; Bill Anderson (Stellan Skarsgård), một nhà thám hiểm và nhà văn người Thụy Điển và Harry Bright (Colin Firth), một nhân viên ngân hàng người Anh. Cô bí mật mời họ mà không hề tiết lộ gì với mẹ cô, Donna Sheridan (Meryl Streep) và tin rằng sau chỉ cần gặp là cô sẽ nhận ra ngay ai là cha ruột của mình ("Honey, Honey").

Trong khi đó, Donna lại đang gặp lại những người trong ban nhạc cũ của cô mang tên "Dynamos". Họ bao gồm Rosie (Julie Walters), một nhà văn châm biếm và Tanya (Christine Baranski) một người phụ nữ giàu có với nhiều lần li hôn chồng. Donna tiết lộ bà rất hoài nghi về khát khao được kết hôn của con gái bà và giải thích về tình trạng tài chính ít ỏi của mình với Rosie và Tanya ("Money, Money, Money"). Sau đó, ba người đàn ông kia đến và Sophie bí mật dắt họ về phòng và giải thích chính cô đã gửi những thiệp mời ấy chứ không phải Donna. Cô cầu xin họ hãy tránh gặp mặt bà để tạo nên sự bất ngờ trong lễ cưới. Họ có nghe được Donna đang làm việc (hát theo bài "Fernando") và hứa với Sophie sẽ không tiết lộ bí mật của cô.

Donna theo dõi họ và chết lặng người khi phải gặp mặt những người tình cũ mà bà không thể nào quên được ("Mamma Mia") và yêu cầu họ rời khỏi đó ngay. Cô cũng phân trần với Tanya và Rosie một bí mật mà bà luôn giữ kín cho riêng mình - bà không hề biết chắc ai là cha ruột của Sophie ("Chiquitita"). Tanya và Rosie sau đó trấn an bà khi đưa bà đến nhảy cùng với các nhân viên nữ và người dân tại đảo ("Dancing Queen"). Sophie sau đó tìm thấy ba người đàn ông kia trên một chiếc du thuyền của Bill và họ nhổ neo gần Kalokairi ("Our Last Summer") và kể cho nhau nghe về Donna lúc còn trẻ. Sophie lấy hết can đảm để nói với hôn phu của mình, Sky (Dominic Cooper), về mọi chuyện của mình, nhưng không thể giữ được bình tĩnh. Sky và Sophie bày tỏ tình cảm với nhau ("Lay All Your Love on Me"), cho tới khi Sky bị bạn bè cắt ngang giữa chừng để đưa đến buổi tiệc độc thân của anh.

Trong buổi tiệc độc thân của Sophie, Donna, Tanya và Rosie trình diễn với nghệ danh Donna and The Dynamos ("Super Trouper"). Sophie thoáng nhẹ nhõm khi thấy mẹ mình vui vẻ, nhưng lại trở nên lo sợ khi cuộc vui bị dừng lại bởi ba người đàn ông kia xuất hiện. Cô quyết định nói chuyện riêng với mỗi người trong số họ và sau đó ("Gimme! Gimme! Gimme! (A Man After Midnight)"), Sophie biết được Donna nhận tiền để đầu tư vào căn dinh thự này từ cụ cố của Sofia của ông. Sophie đoán cô chính là người trùng tên và Bill chính là cha của cô. Cô nhờ ông dắt cô trên lễ đường và phải giữ bí mật với Donna cho đến khi lễ cưới diễn ra. Sự hạnh phúc của Sophie không kéo dài bao lâu thì Sam và Harry bảo rằng chính họ mới là cha cô và họ sẽ dắt cô đi trên lễ đường ("Voulez-Vous").

Buổi sáng hôm sau, Rosie và Tanya cam đoan với Donna rằng họ sẽ trông chừng ba gã kia. Trên thuyền của Bill, Bill và Harry đang chuẩn bị thổ lộ cùng nhau, thì bị Rosie xen ngang. Donna phân trần cùng Sophie, khi tin rằng Sophie muốn dừng lễ cưới này lại. Sophie nói rằng tất cả những gì cô muốn chỉ là muốn tránh khỏi những lỗi lầm mà mẹ cô mắc phải trước đây. Sau đó, Sam cũng lên tiếng khi lo lắng về việc Sophie phải lấy chồng khi còn quá trẻ. Donna bày tỏ cùng ông và cả hai đều nhận ra tình cảm của họ dành cho nhau ("SOS"). Tại bãi biển, Tanya và Pepper tiếp tục trìu mến nhau trong bài hát "Does Your Mother Know". Sophie sau đó thú nhận với Sky để nhờ anh ấy giúp đỡ, nhưng chỉ nhận lại sự giận dữ từ anh vì sự gian dối của cô, buộc cô phải nhờ đến mẹ mình giúp đỡ. Trong khi Donna đang giúp con gái mình chọn váy cưới, những rạn nứt của họ lành lại và Donna hồi tưởng lại tuổi thơ của Sophie và việc cô lớn nhanh thế nào ("Slipping Through My Fingers"). Sophie nhờ Donna dắt mình đi trên lễ đường. Trong buổi tiệc cưới, Sam chạm mặt Donna và cầu xin bà hãy thổ lộ cùng ông. Bà đã tiết lộ sự đau khổ của mình khi lạc mất ông bằng bài hát "The Winner Takes It All".

Sophie và Donna bước đi trên lễ đường khi ban nhạc chơi bản "Knowing Me, Knowing You". Sam sau đó tiết lộ việc mình bỏ đi để lấy một người phụ nữ khác trong quá khứ đã không thành và đã có lần quay trở lại nhưng lại thấy Donna đang cùng với một người đàn ông khác. Harry cũng phân trần rằng Donna là người phụ nữ đầu tiên và cuối cùng mà ông đem lòng yêu và tiết lộ việc ông đã bắt đầu có cảm tình với một cô hầu bàn. Cả ba người đồng ý việc trở thành 1/3 người cha của Sophie. Cô bảo Sky rằng họ nên hoãn đám cưới này lại và hãy đi thăm thú thế giới như họ vẫn hằng mong ước. Khi nhận thấy đây là cơ hội để không lỡ mất một lễ cưới, Sam cầu hôn Donna ("I Do, I Do, I Do, I Do, I Do"). Bà đồng ý và họ lấy nhau. Trong buổi tiệc chiêu đãi, Sam hát cho Donna ("When All Is Said and Done") khiến Rosie hát một bài cho Bill ("Take a Chance on Me"). Tất cả các cặp đôi đều thổ lộ tình cảm của mình (lặp lại "Mamma Mia"), Sophie và Sky sau cùng từ biệt đảo Kalokairi và nhổ neo đi khỏi đó (lặp lại "I Have a Dream").

Trong phân đoạn giới thiệu cuối phim, Donna, Tanya và Rosie hát lại "Dancing Queen", theo sau bằng bài hát "Waterloo" cùng toàn thể dàn diễn viên. Amanda Seyfried hát bài "Thank You for the Music" và phần hòa tấu của bài "Does Your Mother Know".