La cantante de salón Deloris Van Cartier actúa en un casino de Reno, Nevada, mientras mantiene un romance con su propietario, Vince LaRocca. Odiando la falta de éxito en su carrera, va a informar a Vince de su deseo de marcharse, sólo para presenciar cómo éste ejecuta a su chófer. Asustada, escapa a la policía y se entera por el teniente Eddie Souther de que Vince es el jefe de una organización criminal. Para protegerla de él, Souther la pone en protección de testigos en el convento de la parroquia de Santa Catalina. A pesar de las objeciones de su abadesa, la Madre Superiora, el párroco, Monseñor O'Hara, la convence para que ayude a Deloris. La Madre Superiora decide que se convierta en monja bajo el alias de "Hermana Mary Clarence", y que viva como tal hasta que se pueda organizar un juicio para que testifique contra Vince.

Deloris pronto odia la vida de monja, a pesar de hacerse amiga de dos de las monjas -la hermana Mary Patrick y la hermana novicia Mary Robert-, pero se da cuenta de que no puede irse después de que Vince ponga una recompensa por ella. Al mismo tiempo, descubre que St. Katherine está mal atendida y que las monjas no pueden ayudar al barrio degradado que rodea la parroquia. Tras ser sorprendida saliendo a escondidas del convento, la madre superiora le asigna trabajar con el coro del convento, dirigido por la hermana Mary Lazarus. Sabiendo que su rendimiento es malo, Deloris se encuentra con que le piden ayuda debido a su formación musical. Al asumir la dirección del coro, lo transforma para que cante maravillosamente en la siguiente misa dominical, interpretando el himno "Hail Holy Queen" de forma tradicional y luego en una interpretación combinada de gospel y rock and roll. Aunque la madre superiora reprende a Deloris por ello, O'Hara alaba al coro por atraer a la gente a Santa Catalina.

Deloris no tarda en animar al convento a ayudar a la comunidad local, lo que O'Hara apoya, para malestar de la Madre Superiora. Las monjas pronto contribuyen a transformar el barrio, por ejemplo, ayudando a los sin techo, y el coro atrae las donaciones necesarias para reparar St. Katherine's. Tras una interpretación de "My Guy" -reescrita e interpretada como "My God"-, O'Hara revela que el Papa, tras conocer el éxito del coro, visitará la iglesia para dar un concierto, durante su gira por Estados Unidos. Sintiéndose fuera de lugar debido a los esfuerzos de Deloris, la Madre Superiora decide hacer planes para trasladarse a otro lugar. Deloris se siente sorprendida por esto, poco después de saber que se irá pronto para su comparecencia ante el tribunal.

Souther no tarda en descubrir que un detective corrupto ha informado a Vince de dónde está Deloris, y rápidamente intenta trasladarla. Sin embargo, Deloris, al negarse a marcharse, acaba siendo secuestrada por los hombres de Vince. Al enterarse de esto por Mary Robert, la Madre Superiora revela la verdad sobre Deloris al coro. Sintiéndose perdidos sin ella, el coro implora la ayuda de la Madre Superiora, que rápidamente los lleva a Reno para rescatar a Deloris. El grupo se las arregla para protegerla mientras ella intenta evadir a Vince una vez más, el tiempo suficiente para que Souther lo arreste a él y a sus hombres. La Madre Superiora pronto hace las paces con Deloris, agradeciéndole sus acciones, y le revela que tiene la intención de permanecer en Santa Catalina. De vuelta a San Francisco, Deloris dirige los coros para interpretar "I Will Follow Him" ante un público repleto, recibiendo una gran ovación de todos, incluyendo el Papa, Monseñor O'Hara y Souther. En los créditos finales, Deloris sigue guiando y entrenando al coro como grupo musical de gira, además de relanzar su carrera como cantante.