エーゲ海に浮かぶギリシャのリゾート地、カロカイリ島。小さなホテルを経営するドナ（メリル・ストリープ）の娘ソフィ（アマンダ・セイフライド）は、翌日に結婚式を控えていた。父親を知らずに育ったソフィの夢は、結婚式のヴァージン・ロードを父親と一緒に歩くこと。そこで、母の日記から3人の父親候補を洗い出し、結婚式の招待状を送る。こうしてやってきたのがニューヨークの資産家サム（ピアース・ブロスナン）、スウェーデンの冒険家ビル（ステラン・スカルスガルド）、ロンドンの銀行員ハリー（コリン・ファース）。母親に内緒で3人を招待したソフィは彼らを小屋に匿うが、ドナに見つかってしまう。突然の再会にパニックを起こすドナ。だが、親友のロージー（ジュリー・ウォルターズ）とターニャ（クリスティーン・バランスキー）に励まされ、元気を取り戻す。一方、ドナの剣幕に押されて逃げ出すようにヨットで海に出た3人と話をしたソフィは、本当の父親を見分けることが出来ず頭を悩ませるのだった。その夜開かれたパーティーの最中、ビルが父親であるという確信を得たソフィは結婚式のエスコートを依頼。だが、自分が父親かもしれないと思い始めたサムとハリーもエスコートを申し入れてきて、収拾がつかなくなってしまう。翌朝、この事態を巡ってドナや婚約者のスカイ（ドミニク・クーパー）と口論になってしまい、ソフィはすっかり落ち込む。だが、そんな彼女を慰めてくれたのは、母親であるドナだった。ウェディング・ドレスを着せてもらいながら、女手ひとつで自分を育ててくれた母の深い愛情を思い出したソフィは、結婚式のエスコート役を依頼する。こうして、ソフィはドナにエスコートされてヴァージン・ロードを歩き、結婚式が始まる…。