La storia inizia sull'isola greca di Kalokairi, dove Sophie Sheridan (Amanda Seyfried) si sta preparando per il suo matrimonio con Sky (Dominic Cooper). Sophie è sempre stata cresciuta dalla madre single, Donna (Meryl Streep), e non ha mai incontrato suo padre. Legge segretamente il diario di sua madre e scopre di avere tre possibili padri:Sam Carmichael (Pierce Brosnan), Bill Anderson (Stellan Skarsgård) e Harry Bright (Colin Firth).
Determinata a scoprire chi è suo padre, Sophie invita tutti e tre gli uomini al suo matrimonio senza dirlo a Donna. Quando arrivano, Donna è scioccata e sconvolta, ma accetta di lasciarli restare per il matrimonio. Con il passare del fine settimana, Sophie conosce ciascuno degli uomini e inizia a chiedersi chi sia il suo vero padre.
Nel frattempo, Donna ha a che fare con i propri sentimenti riguardo al passato. È ancora innamorata di Sam, ma ha anche paura di essere ferita di nuovo. Si confida con le sue due migliori amiche, Rosie (Julie Walters) e Tanya (Christine Baranski).
Alla vigilia del matrimonio, Sophie ha un colloquio sincero con ciascuno dei tre uomini. Impara di più sul loro passato e sulle loro relazioni con Donna. Scopre anche che ognuno di loro ha un legame speciale con lei.
Alla fine, Sophie decide che non ha bisogno di sapere chi è suo padre. È felice dell'amore e del sostegno di sua madre e dei suoi amici. Sposa Sky e vivono tutti felici e contenti.