La película comienza con Stargirl (Grace VanderWaal) cantando "Just What I Needed" a su rata Cinnamon antes de que su madre Ana (Judy Greer) la haga comenzar su mudanza de Arizona a Los Ángeles, ya que Ana consiguió un trabajo en un set de filmación. Aunque a Stargirl no le entusiasma la idea de volver a mudarse y tener que empezar de nuevo, Ana intenta convencerla de que tendrá una nueva aventura.

Los Caraway llegan a su nuevo apartamento, donde conocen al malhumorado vecino Sr. Mitchell (Judd Hirsch). Cuando Ana empieza a trabajar, le deja una llave a Stargirl para que pueda explorar la ciudad. Stargirl visita a Ana en el trabajo y ve que el director, Daniel (Ben Geurens), es un imbécil.

Por la noche, Stargirl está cantando "Make Your Own Kind of Music" y es escuchada por el hijo del propietario, Evan (Elijah Richardson). Este va a su apartamento para presentarse y le dice que su hermano Terrell (Tyrel Jackson Williams) está rodando una película. Evan invita a Stargirl a que les ayude a hacer una película escribiendo la música y, potencialmente, a actuar en ella. Ella acepta.

Después de que el Sr. Mitchell se queje del canto de Stargirl, ella le deja unas orejeras como regalo. Más tarde va a un bar llamado Forte en el que trabaja Terrell y se une a él y a Evan. Mientras observan otras actuaciones, ven a una clienta habitual a la que llaman "Table Six". Se trata de la ex-música Roxanne Martel (Uma Thurman). Stargirl sube al escenario para cantar una canción, a la que se une la banda de la casa. Evan y Terrell elogian su actuación, y Terrell dice que incluso a Roxanne le ha gustado.

Stargirl pone algunas de las canciones de Roxanne para que las escuchen Evan y Terrell, que quieren utilizar una de sus canciones, "Miracle Mile", para su vídeo de presentación. Stargirl vuelve a Forte y se encuentra con Roxanne. Hablan un poco, pero cuando Stargirl le pregunta si puede utilizar "Miracle Mile", Roxanne se niega. El trío decide escribir su propia canción, "Figure It Out", y vuelve a Forte y le pregunta a Roxanne si puede utilizar el piano que toca. Ella se sienta y escucha su canción, ofreciendo otras sugerencias musicales para que suene mejor. También le dice a Stargirl que no les dejó usar su canción porque sabe que pueden escribir una buena por sí mismos.

Roxanne ayuda al trío a grabar su canción mientras ellos siguen trabajando en su bobina. Stargirl establece un vínculo con ella y se entera de las experiencias de Roxanne al conseguir su gran oportunidad y, finalmente, al ver que su estrella se desvanece. También le cuenta a Stargirl que ayudó a salvar a Forte con su propio dinero, por lo que técnicamente le pertenece. Roxanne dice que Stargirl ha despertado en ella una nueva inspiración. Más tarde, Stargirl habla con el Sr. Mitchell, después de que éste le dijera que solía trabajar en el cine. Él le regala una vieja cámara de época, lo que ella agradece enormemente. Cuando los chicos necesitan más dinero, el Sr. Mitchell sugiere que pueden vender la cámara para comprar película.

Terrell sigue trabajando en la película y hace que Stargirl y Evan actúen en ella. Pasan el día juntos, y Stargirl le menciona a Leo (de la primera película), diciendo que aunque era maravilloso, todavía tenía muchas cosas que resolver. Más tarde, Terrell llama a Evan y le dice que un productor vio el sizzle reel y quiere reunirse con ellos.

Stargirl se une a Evan y Terrell cuando conocen a una productora, Priya Collins (Sarayu Blue), que les ofrece un millón de dólares para producir una película completa para "Tell Your Story". El trío acepta encantado. Cuando Stargirl va a contarle a Ana las buenas noticias, le informan de que la película en la que Ana estaba trabajando se ha cerrado debido a las múltiples quejas contra Daniel, y se está llevando a cabo una investigación. Esto significa que lo más probable es que tengan que mudarse de nuevo, ya que Ana ha encontrado otro trabajo en Berkeley, pero Stargirl está disgustada porque ya ha empezado a disfrutar de su nueva vida.

Después de sentirse deprimida por un tiempo, Stargirl habla más tarde con Terrell, quien le agradece que haya venido. Más tarde se sienta en una cafetería con el Sr. Mitchell, que le dice que nunca hay que lamentar los errores, sino seguir aprendiendo de ellos. Esto anima a Stargirl a hablar con Ana.

Esa noche todos van a Forte, donde Stargirl actúa junto a Roxanne como parte de su nuevo grupo, Table Six and the Shirley Temples (porque esa es la bebida preferida de Roxanne). Interpretan la canción que Stargirl escribió, y también anuncia que no se mueven.

A continuación, Terrell comienza a rodar "Tell Your Story" como un largometraje, y Stargirl y Evan se unen a él en la playa para el primer día de rodaje.