La película comienza en 1955, donde Edith Piaf (Marion Cotillard) está actuando. Se desploma en el escenario y reza a Santa Teresa para que la ayude a seguir viviendo.

Retrocedemos a 1915, en las calles de Belleville, París. Niños corren por las calles, y dos chicos se burlan de una niña. Una mujer pasa y le pregunta a la niña dónde están sus padres. Ella (la joven Edith Gassion) señala a una mujer cantando en las calles.

La madre de Edith se va a París para intentar tener éxito como cantante, y deja a Edith con su abuela, quien básicamente la descuida. El padre de Edith es un contorsionista que regresa del circo y la rescata de su negligente abuela. Sin embargo, pronto se cansa de cuidar a Edith y la deja con su madre, quien dirige un burdel en Normandía. Allí, una prostituta llamada Titine se convierte en la madre sustituta de Edith. Mientras vive en el burdel, Edith contrae conjuntivitis severa, lo que la deja ciega durante meses. Titine anima a la niña a rezar a Santa Teresa para recuperar la vista. Un día, Edith abre los ojos y puede ver de nuevo.

El padre de Edith regresa repentinamente un día y la arranca de la única fuente de amor y cuidado que ha conocido. La adolescente Edith se une a un circo con su padre, donde cocina y limpia para él mientras él actúa. Una noche, mientras limpia los platos, ve una visión de Santa Teresa en las chispas de las llamas de un tragafuegos. Santa Teresa le pregunta a Edith por quién quiere rezar. La niña responde: "Rezo por Titine".

El padre de Edith tiene un desacuerdo con el director del circo y renuncia. Pronto, su padre apenas se gana la vida actuando en las calles de los suburbios de París. Un día, un transeúnte pregunta si Edith (que recogía el dinero) era parte del espectáculo. Su padre la empuja al frente y la obliga a hacer algo. Edith abre la boca y de ella sale la voz más hermosa que el público ha escuchado. Es áspera, pero fuerte y cautivadora. Pronto, Edith está actuando en solitario, ganándose la vida junto a su mejor amiga, Mômone.

Finalmente, Edith es descubierta por Louis Leplée (Gérard Depardieu), dueño de un club nocturno. La invita a actuar en su local y le da el nombre artístico de “La Môme Piaf”, o “El Gorrión”, por su pequeña estatura. La primera actuación de Edith es un éxito, y queda abrumada y sorprendida por el estruendoso aplauso.

Leplée es asesinado repentinamente, y se sospecha que fue víctima de la mafia. Por un momento, Edith es sospechosa, pero es absuelta. A pesar de perder impulso momentáneamente, Edith va de éxito en éxito, dejando atrás el apodo de “La Môme” y adoptando el nuevo nombre de “Edith Piaf”. Su famosa canción “La Vie en Rose” es escrita y recibida con gran entusiasmo por el público. Edith viaja a Nueva York para probar suerte con la audiencia estadounidense. Al principio, en palabras de Edith, “ellos no me entienden, y yo no los entiendo”. Sin embargo, persevera y comienza a generar un grupo leal de seguidores, incluyendo a Marlene Dietrich, quien asiste a un concierto una noche y deja a Edith completamente fascinada.

También conoce al boxeador Marcel Cerdan (Jean-Pierre Martins) en Nueva York. Se enamoran y, por primera vez, la vida de Edith está llena de alegría. Sin embargo, esta felicidad es efímera. Marcel muere en un accidente de avión mientras viajaba de Francia a Nueva York. Edith se derrumba emocionalmente.

Esto es seguido por un accidente automovilístico, lo que lleva a una creciente adicción a la morfina. También comienza a experimentar síntomas de artritis, lo que le dificulta caminar. Empieza a beber en exceso. El abuso de alcohol y morfina precede el colapso que vimos al principio de la película. Aunque sobrevive, pasa tiempo en una clínica de rehabilitación. Sin embargo, el abuso ha dejado cicatrices, y a los 44 años, Edith parece una mujer de 60. Está paralizada por la artritis y es frágil y desvalida. En un momento, murmura a su enfermera: "¿Volveré a cantar alguna vez?"

Finalmente, da una última serie de conciertos en la sala de conciertos Olympia en París. Canta la emotiva canción “Je ne regrette rien” – “No lamento nada”. Aunque físicamente está frágil, su voz nunca la abandona, y su público absorbe cada momento de sus actuaciones. Incluso en sus momentos más débiles, cuando su equipo insiste en que cancele sus compromisos, ella triunfa con su pura determinación de cantar. Cuando está cantando, su fragilidad desaparece, y su voz domina la sala de conciertos.

A los 47 años, Edith enferma de cáncer. En su lecho de muerte, recuerda momentos de su pasado: un raro momento en que su padre le muestra su amor comprándole una muñeca que había deseado; el momento en que descubre que su hija, Marcelle, va a morir de meningitis (esto sucedió algún tiempo antes de que Leplée la descubriera).

Pronto, esos recuerdos también se desvanecen, y la vida de Edith Piaf llega a su fin.