Dublín, 1985 - Conor Lalor (Ferdia Walsh-Peelo), de 15 años, está en su habitación rasgando su guitarra. Escucha a sus padres Robert (Aiden Gillen) y Penny (Maria Doyle Kennedy) discutiendo, lo que imita en la letra de su canción.
Conor se reúne con sus padres y hermanos Brendan (Jack Reynor) y Ann (Kelly Thornton) en la cocina para una reunión familiar. Debido a los recientes problemas financieros, Robert anuncia que él y Penny van a poner a Conor en una escuela estatal gratuita en lugar de pagar su escuela actual. Brendan, un desertor escolar, hace comentarios sarcásticos sobre la situación.

Conor comienza su nuevo curso en el CBS de Synge Street. Conoce al director de la escuela, el Hermano Baxter (Don Wycherley), quien le dice que tienen una estricta política de zapatos negros, y que Conor sólo tiene los marrones. Más tarde, Conor se encuentra con el matón Barry (Ian Kelly), que le apunta a la cara con un tirachinas en el baño y le obliga a bailar. Cuando le dice a Conor que baile en ropa interior, éste se niega. Durante el almuerzo, Conor compra una chocolatina y se la lleva Barry, que le da un puñetazo en el ojo. Esto hace que Conor conozca a Darren (Ben Carolan).

Cuando los dos salen de la escuela, Conor ve a una bonita chica al otro lado de la calle. Darren dice que ella no está interesada en ninguno de los chicos de la escuela. Conor se acerca a ella. Se llama Raphina (Lucy Boynton) y dice que es modelo. Conor le pide que participe en un vídeo para su banda. Raphina le pide que cante una canción. Sin saber nada, él canta dos compases de "Take On Me" de a-Ha. Raphina acepta participar en el vídeo. Conor vuelve con Darren y le dice que tienen que formar una banda.

Darren lleva a Conor a conocer a Eamon (Mark McKenna), un chico que es hábil con la mayoría de los instrumentos, pero que se decide a tocar el bajo. A continuación, los chicos reclutan a Ngig (Percy Chamburuka) para que toque el teclado. Otros dos chicos, Larry (Conor Hamilton) y Garry (Karl Rice), completan la banda. Darren actúa como mánager de la banda. Deciden llamarse "Sing Street". Primero empiezan tocando una versión de "Rio" de Duran Duran. Conor la toca para Brendan, que dice que es una mierda. Anima a su hermano a escribir canciones originales para encontrar su propio estilo.

Inspirado, Conor (con ayuda de Eamon) escribe la primera canción original del grupo, "The Riddle of the Model", que obviamente está inspirada en Raphina. Graba una maqueta y le da una cinta a Raphina para que sepa qué esperar del vídeo. La banda se reúne más tarde para rodar el vídeo de la canción, y Raphina llega para maquillar a los chicos. Barry y su padre se cruzan con ellos, y el padre bromea diciendo que Barry debería unirse a la banda. Cuando le dice a su padre que se vaya a la mierda, recibe una bofetada en la cara. Después del rodaje, Conor lleva a Raphina a casa en su bicicleta. Se entera de que ella está saliendo con un hombre adulto, y que vive en un hogar para niñas, ya que sus padres están fuera de la escena.

Conor se maquilla para ir a la escuela y se tiñe de rubio la parte delantera del pelo. El hermano Baxter le dice que se quite el maquillaje en su baño personal. Cuando Conor sale de su despacho, Baxter lo agarra y lo arrastra al cuarto de baño y le quita el maquillaje con violencia.

Después de las clases, Conor se reúne con Raphina y los chicos para hacer otro vídeo de su canción "A Beautiful Sea". Raphina también decide llamar a Conor "Cosmo" para encajar con la banda. La banda se dirige al mar para el rodaje. Cosmo le dice a Raphina que finja saltar al agua, pero ella lo hace de verdad, y él salta tras ella cuando dice que no sabe nadar. Entonces la besa por primera vez.

A medida que Cosmo pasa más tiempo con Raphina, se entera de que su padre murió en un accidente de coche y que su madre entra y sale del hospital por una depresión maníaca. Ella convence a Cosmo para que lleve su vida como "feliz-triste", lo que significa que está bien aceptar la mierda del mundo y seguir con la vida y hacer arte. Cosmo lleva esta filosofía a la escuela cuando Barry le amenaza de nuevo, pero Cosmo se desentiende de él con frialdad y se dirige a clase.

Cosmo, Darren y Eamon ven un cartel en la escuela para un baile en el que pueden tocar con la banda. Los chicos aceptan y se ponen a ensayar mientras se preparan para los exámenes parciales.

Cosmo va a buscar a Raphina y le pide que le acompañe en una aventura. Llevan la lancha de su abuelo a la isla de Dalkey, donde comparten té y galletas. Ven el ferry que se dirige a Inglaterra. Cosmo vuelve a besar a Raphina.

En casa, Robert y Penny anuncian que van a separarse, ya que Penny se ha enamorado de su jefe, citando la negligencia de Robert como marido como una de las razones. Ella se irá a vivir con el jefe, mientras que Robert dice que se buscará un apartamento. Aunque era de esperar, Brendan no se toma bien la noticia, diciéndole a Cosmo que antes tenía ambiciones de ser alguien, pero que ahora se ha resignado a ser un porrero. Rompe su tocadiscos con rabia.

El grupo ensaya el vídeo de su canción "Drive It Like You Stole It" en el gimnasio del colegio. Cosmo espera que Raphina aparezca, pero nunca lo hace. En la cabeza de Cosmo, se imagina que el vídeo va como una noche de baile americano con un tema de los años 50 (como "Regreso al futuro"). Todos los estudiantes están bailando, y Raphina aparece. Baxter da volteretas por el suelo. Robert y Penny aparecen, bailando felizmente y todavía enamorados. Brendan aparece con un corte de pelo impecable y ropa arreglada. Pero la canción termina y Raphina sigue sin aparecer.

Cosmo va a la casa de las chicas para buscar a Raphina, pero uno de sus compañeros de casa le dice que se fue la noche anterior a Londres con su novio. Poco después, Cosmo ve a Raphina volviendo a la casa con un moratón en la mejilla. Los dos van al parque, donde Raphina dice que dejó a su novio y éste la golpeó, pero afirma que se lo merecía. Cuando ella afirma que bien podría trabajar en un McDonald's y que es igual que su madre (sin ambiciones, saliendo con un colegial), Cosmo la deja sola.

Llega la noche del baile y la banda se gana a los demás estudiantes. Incluso han conseguido que Barry sea su roadie. Tocan un gran espectáculo hasta que Cosmo dice que van a tocar una canción lenta. La mayoría de los demás estudiantes se dirigen a la parte trasera del gimnasio, pero las parejas bailan juntas. Para su canción final, la banda toca "Brown Shoes", que es para gente como Baxter y todos los demás matones que los chicos encuentran. Cosmo reparte máscaras de la cara de Baxter a los demás estudiantes. Raphina aparece cuando la banda está tocando la canción ante un público entusiasmado. Cosmo se une a Raphina después del espectáculo.

Los dos corren a casa de Brendan y lo convencen de que los lleve al barco de su abuelo para que Cosmo y Raphina puedan dirigirse a Londres. A pesar de no conocer a nadie, confiarán en los retratos de Raphina y en las cintas y vídeos de Cosmo para conseguir algún trabajo. Brendan acepta llevarlos hasta allí. Antes de salir, Cosmo entra en la habitación de sus padres. Robert está durmiendo en el suelo. Cosmo se despide de su madre dormida y le dice que la quiere.

Los tres llegan junto al mar. Brendan se despide de su hermano y le dice a Raphina que cuide de él. Mientras se marchan, Brendan los ve alejarse y los anima. Empieza a llover a cántaros, pero los dos consiguen cruzar el ferry hacia Inglaterra. Con ello, proceden a seguirlo.