Una mujer sale de su vehículo y comienza a cantar a la cámara una canción sobre lo genial que es estar en la soleada California. Alguien sale de su coche y se une a ella. Pronto, todos  están cantando la canción mientras bailan en la calle o en los coches que están en un atasco.

La canción termina. Nos dicen que es INVIERNO. El tráfico finalmente comienza a moverse. Dentro de su Toyota Prius, Mia (Emma Stone) parece estar hablando con alguien por teléfono. En su automóvil clásico, Sebastian (Ryan Gosling) le pita para que se mueva. Nos damos cuenta de que no está hablando con nadie, sino que está practicando para una próxima audición. Sebastian la adelanta. Luego murmura que probablemente debería moverse (ya que está obstruyendo el tráfico).

Mia trabaja en una cafetería en los esudios de Warner Bros, sirviendo a los empleados. Cuando una estrella de cine entra para tomar un café, el gerente le dice que está "en su casa", por lo que deja una propina. Mia observa mientras la estrella de cine se sube a un carrito de golf, siendo escoltada.

Ella trata de salir antes para poder hacer un casting. Su jefe la para y se muestra bastante estricto con ella. Mia sale corriendo para no llegar tarde y choca con un cliente, derramando café sobre su camisa. Cuando Mia llega a la audición, ahora lleva una chaqueta sobre su blusa. Hace el papel, con una actuación realmente honesta donde rompe a llorar. Pero pasa desapercibida.

Los directores de casting interrumpen la audición de Mia mientras hablan con un asistente que les dice que alguien los ha llamado. Ella sale de la oficina de casting y entra al área de espera donde todas se parecen a ella. Luego se sube al ascensor donde otras dos chicas se parecen y usan ropa similar.

Mientras tanto, Sebastian aparca su coche. Al otro lado de la calle, ve un club de jazz cerrar. Se va a su casa y su hermana está allí. Él la regaña por poner los pies en un taburete que recogió de la calle después de que un club de jazz cerrara, citando que uno de sus músicos de jazz favoritos se había sentado allí. Es evidente que le encanta la música de jazz y le cuenta que su club favorito está siendo cerrado y convertido en un lugar de Samba / Tapas. Su hermana le señala que todas sus facturas están caducadas y que necesita comenzar a ganar dinero.

Mia regresa a la casa que comparte con otras tres aspirantes a actrices. Preguntan cómo fue su audición, pero ella no quiere hablarlo. Todas van a una fiesta de Hollywood en la casa de alguien de la industria del cine.

Al acabar, Mia se da cuenta que ha aparcado mal el coche y se lo ha llevado la grúa. Se ve obligada a caminar en tacones por el cañón hacia la ciudad. Entrar en un restaurante / club nocturno llamado Lipton's donde ve a Sebastian tocar la canción.

Cuando se encuentra con él de nuevo en una fiesta, los dos se unen a un número de baile mientras caminan hacia su automóvil. Deja a su novio por él y se inspiran mutuamente para conseguir sus sueños: la anima a escribir una obra para ella misma y ella lo motiva a abrir su propio club de jazz. Para recaudar dinero para el club, Sebastian se une a una banda que termina teniendo mucho éxito, mientras que, simultáneamente, la obra de Mia fracasa.

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Mia decepcionada y enfadad porque Sebastian no fue a ver su obra, regresa a Nevada. La obra llamó la atención de un director de reparto que se lo dijo a Sebastian porque no pudo encontrar a Mia. Conduce horas a Nevada y la lleva de vuelta a L.A. para la audición.

Cinco años más tarde, nos enteramos de que Mia se ha convertido en una gran estrella de cine y que Sebastian ha abierto un club de jazz muy exitoso, pero que no terminaron uno con el otro.

En un epílogo, vemos cómo podría haber sido su vida, representada en una canción y baile de diez minutos.