Don Lockwood es una popular estrella del cine mudo con humildes raíces como "hoofer" y doble de acción. Don apenas tolera a su vanidosa, astuta, mimada, conspiradora y superficial protagonista, Lina Lamont, aunque su estudio, Monumental Pictures, los vincula románticamente para aumentar su popularidad. Lina está convencida de que están enamorados, a pesar de las protestas de Don.

En el estreno de su última película, The Royal Rascal, Don cuenta a la multitud reunida una versión de la historia de su vida, incluyendo su lema: "Dignidad, siempre dignidad". Sus palabras son contradichas con humor por flashbacks que le muestran junto a su mejor amigo Cosmo Brown ("Fit as a Fiddle"). Para escapar de sus fans después del estreno, Don salta a un coche que pasa conducido por Kathy Selden. Ella le deja, no sin antes afirmar que es una actriz de teatro y burlarse de sus "indignos" logros como estrella de cine.

Más tarde, en una fiesta posterior, el director del estudio de Don, R.F. Simpson, muestra una breve demostración de una película parlante,[a] pero sus invitados no están impresionados. Para diversión de Don, Kathy sale de un pastel falso justo delante de él, revelando ser una corista ("All I Do is Dream of You"). Furiosa por las burlas de Don, le lanza un pastel, golpeando accidentalmente a Lina en la cara, y luego huye. Don queda prendado de Kathy y la busca durante semanas, con Cosmo intentando animarle ("Make 'Em Laugh"). Durante el rodaje de una escena romántica, una celosa Lina revela que su influencia está detrás de la pérdida de trabajo de Kathy y su posterior desaparición. En el lote del estudio, Cosmo finalmente encuentra a Kathy trabajando tranquilamente en otra producción de Monumental Pictures ("Beautiful Girl") y se reconcilian. Don le canta una canción de amor y ella le confiesa que siempre ha sido su fan ("You Were Meant for Me").

Después de que el estudio rival Warner Bros. tenga un enorme éxito con su primera película hablada, The Jazz Singer, de 1927, R.F. decide que no tiene más remedio que convertir la siguiente película de Lockwood y Lamont, The Dueling Cavalier, en una película hablada. La producción está plagada de dificultades, como la voz chirriante de Lina y su fuerte acento de Brooklyn. Un exasperado profesor de dicción intenta enseñarle a hablar correctamente, pero no lo consigue. En cambio, a Don le va mejor cuando recibe clases de dicción ("Moses Supposes"). La proyección del preestreno de The Dueling Cavalier es un desastre; los actores apenas se oyen gracias a la incómoda colocación de los micrófonos, Don repite la frase "Te quiero" a Lina una y otra vez, ante las risas burlonas del público,[b] y a mitad de la película, el sonido se desincroniza, con resultados hilarantes cuando Lina mueve la cabeza mientras la voz grave del villano dice: "¡Sí! ¡Sí! Sí!" y el villano asiente con la cabeza mientras la soprano chillona de Lina dice: "¡No! ¡No!".

Después ("Buenos días"), Kathy y Cosmo ayudan a Don a tener la idea de convertir El caballero del duelo en un musical llamado The Dancing Cavalier, con un número musical moderno y una historia de fondo. Los tres se desaniman cuando se dan cuenta de que la terrible voz de Lina sigue siendo un problema. Sin embargo, Cosmo, inspirado por una escena de The Dancing Cavalier en la que la voz de Lina no estaba sincronizada, sugiere que doblen la voz de Lina con la de Kathy ("Singin' in the Rain"). Después de escuchar a Don y Cosmo proponer la idea ("Broadway Melody"), R.F. la aprueba pero les dice que no informen a Lina de que Kathy está haciendo el doblaje ("Would You"). Al enterarse de la verdad, una enfurecida Lina irrumpe en una sesión de doblaje, y se enfada aún más cuando le dicen que Don y Kathy están enamorados y tienen intención de casarse, y que R.F. tiene la intención de darle a Kathy un crédito en pantalla y un gran despliegue publicitario. Lina amenaza con demandar a R.F. a menos que se asegure de que nadie oiga hablar de Kathy y de que ésta siga doblando durante el resto de su carrera. R.F. accede a regañadientes debido a una cláusula del contrato de Lina que responsabiliza al estudio de la cobertura mediática positiva.

El estreno de The Dancing Cavalier es un tremendo éxito. Cuando el público pide a gritos que Lina cante en directo, Don, Cosmo y R.F. le dicen que haga playback con un micrófono mientras Kathy, oculta tras el telón, canta con otro. Mientras Lina "canta" ("Singin' in the Rain Reprise"), Don, Cosmo y R.F. abren alegremente la cortina, revelando la farsa. La derrotada Lina huye humillada, y una angustiada Kathy intenta huir también, pero Don anuncia con orgullo al público que ella es "la verdadera estrella" de la película ("You Are My Lucky Star"). Más tarde, Kathy y Don se besan frente a un cartel publicitario de su nueva película, Singin' in the Rain.