Juno MacGuff, una joven de dieciséis años que estudia en el instituto de Minnesota, descubre que está embarazada de su amigo y admirador de toda la vida Paulie Bleeker. Al principio se plantea abortar. Al ir a una clínica local gestionada por un grupo de mujeres, se encuentra con una compañera de colegio que está celebrando una vigilia antiaborto en solitario. Una vez dentro, Juno decide dar al bebé en adopción. Con la ayuda de su amiga Leah, Juno busca en los anuncios del Pennysaver y encuentra un matrimonio sin hijos que cree que será un hogar adecuado. Se lo cuenta a su padre Mac y a su madrastra Bren, que le ofrecen su apoyo. Con Mac, Juno conoce a la pareja, Mark y Vanessa Loring, en su costosa casa, y acepta una adopción cerrada.

Juno visita a Mark varias veces y descubre que comparten gustos por el punk rock y las películas de terror. Mark, que ha dejado de lado su juventud en el grupo de rock (ahora confinado a los recuerdos expuestos en la única habitación de la casa que Vanessa ha designado para las pertenencias personales de Mark), trabaja en casa componiendo jingles comerciales. Juno y Leah ven por casualidad a Vanessa en un centro comercial completamente a gusto con un niño, y Juno anima a Vanessa a hablar con el bebé en el vientre de Juno, que da patadas a Vanessa.

A medida que el embarazo avanza, Juno lucha con las emociones que siente por el padre del bebé, Paulie. Juno mantiene una actitud exteriormente indiferente hacia Paulie, pero cuando se entera de que Paulie ha invitado a otra chica al próximo baile de graduación, se enfrenta a él con un ataque de celos. Paulie le recuerda a Juno que es a petición de ella que se mantienen distantes y le dice que le ha roto el corazón.

Poco antes de que nazca su bebé, Juno vuelve a visitar a Mark cuando su interacción se vuelve emotiva. Mark le dice que dejará a Vanessa para resolver su vida. Juno se horroriza por esta revelación, y Mark le pregunta a Juno: "¿Qué piensas de mí?", revelando que está empezando a desarrollar sentimientos por ella. Vanessa llega a casa y Mark le dice que no se siente preparado para ser padre. Juno se aleja y rompe a llorar al lado de la carretera. Al volver a la casa de los Loring, Juno deja una nota y desaparece cuando los Loring abren la puerta.

Después de una sincera discusión con su padre, Juno acepta que ama a Paulie. Juno entonces le dice a Paulie que lo ama, y las acciones de Paulie dejan claro que sus sentimientos son muy recíprocos. Poco después, Juno se pone de parto y es llevada al hospital, donde da a luz a un niño. Ella no se lo había dicho a Paulie deliberadamente debido a su reunión de atletismo. Al ver que no está en las gradas, Paulie acude al hospital, descubre que Juno ha dado a luz a su hijo y la consuela mientras llora.

Vanessa acude al hospital, donde reclama con alegría al recién nacido como madre adoptiva. En la pared de la nueva habitación del bebé, Vanessa ha enmarcado la nota de Juno, que dice: "Vanessa: Si tú sigues dentro, yo sigo dentro. -Juno". La película termina en verano con Juno y Paulie tocando la guitarra y cantando juntos, en una relación feliz.