Alex Fletcher (Hugh Grant) es una antigua estrella del pop (del grupo británico 'PoP!') que parece feliz en su estatus de "has-been", actuando para fans amantes de los 80 en reuniones y lugares al azar, cuando su representante le dice que Cora Corman (Haley Bennett), una joven megaestrella, quiere que escriba una canción para ella, titulada "A Way Back Into Love". Alex es reacio a volver a componer después de dos décadas, porque su fuerte siempre fue la melodía, su ex compañero Colin siempre escribió la letra. Sin embargo, su cuidadoso pero profesional mánager le dice que su carrera musical está completamente condenada si no cambia de marcha: el interés por sus conciertos de nostalgia está disminuyendo.

Durante un intento infructuoso de componer la canción en colaboración con un letrista "muy a la moda, muy vanguardista", Alex descubre que la mujer que está regando temporalmente sus plantas, Sophie Fisher (Drew Barrymore), tiene talento para escribir letras. Alex, con un plazo de 48 horas para escribir la canción, le pide que le ayude, pero ella se niega varias veces, para disgusto de su hermana mayor Rhonda (Kristen Johnston), que resulta ser una gran fan de Alex. No es hasta que Alex compone una bonita canción con algunas de las letras de Sophie y la toca para ella cuando se da cuenta de que podrían hacerlo. A lo largo de los días siguientes, se van acercando mientras escriben juntos la letra y la música. Sophie revela que había perdido la confianza en sí misma y que había abandonado la escritura tras un desastroso romance con su profesor de inglés Sloan Cates (Campbell Scott).

Alex y Sophie están encantados cuando ella acepta la canción, pero en una cena de celebración con el representante de Alex, Chris (Brad Garrett) y su esposa, Sophie se siente mortificada al encontrarse con Sloan. Se enfrenta a él, pero se le traba la lengua en su presencia, y los intentos de Alex por defenderla acaban en una pelea. Tras curar sus heridas en el apartamento de Alex, ésta y Sophie tienen un encuentro romántico imprevisto.

Cuando Cora invita a Alex y a Sophie a escuchar su interpretación de "A Way Back into Love", Sophie se horroriza por su interpretación de vibración india y sexualmente segura de su seria canción. Alex saca a Sophie de la habitación antes de que pueda decir nada, y le dice que está de acuerdo en que es horrible, pero que tienen que aceptarlo como el coste de hacer negocios. Más tarde, en la fiesta de Cora, a pesar de los esfuerzos de Alex por bloquearla, Sophie finalmente le dice a Cora que siente que el nuevo arreglo choca con la inseguridad expresada en la letra de la canción. Cora dice que seguirá interpretándola a su manera, pero expresa su agradecimiento por la honestidad de Sophie. Sophie deja a Alex cuando se molesta por su voluntad de rebajar su talento y su afirmación de que Sloan tenía razón sobre su personalidad.

Sophie, con la intención de empezar una nueva vida en Florida, asiste a regañadientes a la inauguración de la nueva gira de Cora en el Madison Square Garden, en la que Alex y Cora estrenarán "Way Back Into Love". Al enterarse de que Alex está cantando una nueva canción "escrita por Alex Fletcher", Sophie, creyendo que Alex le está robando el crédito de su trabajo; intenta marcharse; pero sin embargo, la canción que Alex canta se llama "Don't Write Me Off", su súplica para que Sophie le dé otra oportunidad. Una Sophie conmovida encuentra a Alex entre bastidores y éste le confiesa que ha logrado convencer a Cora de que deje la arriesgada versión de "A Way Back into Love" en un intento de recuperar a Sophie. Él y Cora interpretan la melodía como él y Sophie pretendían que se cantara.

¡El final de la película (un homenaje a Pop-Up Video de VH1) revela que la canción se convierte en un éxito para Cora y Alex, la versión cinematográfica de la novela de Sloan fracasa con la crítica y los espectadores (destruyendo su carrera), PoP! se reúne para su ingreso en el Salón de la Fama del Rock and Roll, tras lo cual su vocalista Colin Thompson (que abandonó el grupo con algunas de las canciones de Alex para iniciar una carrera en solitario) acaba siendo sustituido por una cadera tras años de baile, y Alex y Sophie pasan a ser compañeros de éxito, tanto en la composición como en el romance, con otros cinco nuevos éxitos pop.