Les vacances d'été se terminent pour Danny Zuki et Sandy Olsson, deux jeunes amoureux contraints de se séparer pour retourner sur les bancs de l'université. Danny retrouve les T-Birds, une bande d'amis aux cheveux gominés et portant des blousons noirs. Cette rentrée des classes va prendre une tournure quelque peu inattendue avec l'arrivée de Sandy qui rejoint les rangs des Pink Ladies. Un jeu du chat et de la souris commence entre les deux tourtereaux......

Au cœur de Los Angeles, une actrice en devenir prénommée Mia (Emma Stone) sert des cafés entre deux auditions. De son côté, Sebastian (Ryan Gosling), passionné de jazz, joue du piano dans des clubs miteux pour assurer sa subsistance. Tous deux sont bien loin de la vie rêvée à laquelle ils aspirent… Le destin va réunir ces doux rêveurs, mais leur coup de foudre résistera-t-il aux tentations, aux déceptions, et à la vie trépidante d’Hollywood ?...