En la década de 1880, Félicie (Elle Fanning), una niña pobre y huérfana que sueña con ser bailarina, pero que carece de formación formal, huye de su orfanato en la Bretaña rural con su mejor amigo, Victor (Dane DeHaan), un joven inventor. Juntos se van a París, pero pronto se separan y Victor se convierte en un oficinista en el taller de Gustave Eiffel. Félicie encuentra el camino a la Ópera de París, donde el guardia la sorprende entrando sin permiso. La rescata una misteriosa limpiadora coja, Odette (Carly Rae Jepsen), que acepta que Félicie se quede con ella hasta que se recupere. Odette trabaja tanto para la Ópera como para la cruel e imperiosa Régine Le Haut (Julie Khaner), una rica propietaria de restaurantes. Mientras ayuda a Odette a limpiar, Félicie espía a la hija de Régine, Camille (Maddie Ziegler), practicando ballet. Camille ve a Félicie, la insulta y lanza por la ventana la preciada caja de música de Félicie, rompiéndola. Mientras Félicie se la lleva a Víctor para que la repare, intercepta al cartero que trae una carta de la Ópera en la que se admite a Camille en la célebre escuela del Ballet de la Ópera de París, en parte por la relación de su madre. En su enfado, Félicie esconde la carta y decide asumir la identidad de Camille para entrar en la escuela y perseguir su sueño.

Odette acepta ser la mentora de Félicie, que más tarde se entera de que Odette fue primera bailarina. A Félicie le resulta muy difícil su entrenamiento, pero con la carta de aceptación de Camille, consigue hacerse con su plaza en la escuela de ballet. Mérante (Terrence Scammell), el exigente coreógrafo de la escuela, anuncia que una de las chicas de la clase será elegida para bailar el papel de Clara en El Cascanueces. Cada día despide a la peor bailarina de la clase. Félicie mejora cada día y evita por poco la eliminación, pero un par de días antes de la eliminación final, se descubre su mentira. Mérante decide admitir a Camille en la clase y dejar que Félicie se quede; aunque la infracción de Félicie fue grave, Mérante la vio por casualidad bailar apasionadamente en un bar que ella y Víctor visitaron. La noche anterior a la eliminación final, Félicie descuida el entrenamiento para salir en una cita con Rudi, un chico guapo de la escuela, lo que decepciona a Odette. Víctor ve a Félicie con Rudi y se pone celoso; él y Félicie discuten. Al día siguiente, Félicie llega tarde a la audición y no puede actuar bien, por lo que el papel de Clara pasa a Camille.

Regine envía a Félicie de vuelta a su orfanato, donde pierde su espíritu. Sueña que es una niña en brazos de su difunta madre, una bailarina que le regaló la caja de música. Decide volver a París para ayudar a Odette y disculparse con Víctor. Mientras limpia el escenario, Félicie se encuentra con Camille, y se enzarzan en una batalla de baile que es presenciada por todos los alumnos, Odette y Mérante. Félicie hace un grand jeté sobre un tramo de escaleras, mientras que Camille no puede. Mérante se acerca a las dos chicas y les pregunta por qué bailan, a lo que Camille admite que sólo baila porque su madre se lo dice, mientras que Félicie habla conmovedoramente de la danza como su herencia y su pasión. Camille admite que Félicie debería bailar el papel de Clara.

Cerca del taller de Eiffel, donde se está construyendo la Estatua de la Libertad, Félicie invita a Víctor a la representación. Una Régine furiosamente desquiciada llega y persigue a Félicie hasta la corona de la estatua, pero Víctor la salva con ayuda de Camille y atrapa a Régine en el andamio. Al llegar a la Ópera justo a tiempo, Félicie se pone las zapatillas de punta especiales de Odette. Félicie besa a Víctor en la mejilla y actúa en El Cascanueces junto a la bailarina principal.