Der Pianist Sebastian Wilder (Ryan Gosling) liebt Jazz und träumt von einem eigenen Jazzclub. Aber dafür fehlt ihm das Geld, denn er schlägt sich mit Hinter­grund­geklimper in einem Restaurant durch, und als er ein paar Takte mal kurz verjazzt spielt, wird er vom Geschäftsführer Bill (J. K. Simmons) gefeuert.

Mia Dolan (Emma Stone) lebt ebenfalls in Los Angeles und arbeitet als Bedienung in einem Café auf dem Gelände eines Filmstudios in Hollywood. Sie strebt eine Karriere als Schauspielerin an und nutzt jede Gelegenheit, um vorzusprechen, erhält jedoch nichts als Absagen.

Mia und Sebastian sehen sich erstmals von Auto zu Auto, als er sich darüber ärgert, dass sie nach der Auflösung eines Staus nicht sofort losfährt. Nach weiteren Zufallsbegegnungen verlieben sie sich während eines nächtlichen Ausflugs im Griffith Observatory. Mia zieht zu Sebastian. Ihre Liebesbeziehung wird allerdings durch Enttäuschungen über Misserfolge und berufliche Hoffnungslosigkeit belastet.

Schließlich wird Sebastian von Keith (John Legend) kontaktiert, einem früheren Mitschüler. Als dieser ihn einlädt, sich als Keyboarder seiner Band „The Messengers“ anzuschließen, lehnt er es zunächst ab, weil er Keith noch nie leiden konnte und vor allem, weil die Vermischung von Jazz und Soul Sebastians puristischem Musikgeschmack widerspricht. Es ist Mia, die ihn dazu überredet, die Chance zu nutzen, das Startkapital für einen eigenen Club zu verdienen.

Sebastian unterschreibt also einen Vertrag mit „The Messengers“. Die Gruppe spielt eine Platte ein und beginnt eine Tournee. Über den Erfolg vergisst Sebastian seinen Traum. Das missfällt Mia, die ohnehin durch seine häufige Abwesenheit frustriert ist. Es kommt zum Streit.

Mia glaubt nicht mehr an eine Karriere als Schauspielerin. Stattdessen folgt sie einer Anregung Sebastians und schreibt für sich als Darstellerin ein Einpersonen-Theaterstück mit dem Titel „So Long, Boulder City“.

Aufgrund eines Fotoshooting-Termins der „Messengers“ trifft Sebastian erst nach der Premiere vor dem Theater ein. Mia kommt frustriert über den Misserfolg aus dem Gebäude. Sie streitet sich mit Sebastian und kehrt zu ihren Eltern in Boulder City/Nevada zurück.

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Bald darauf ruft eine Castingdirektorin aus Los Angeles bei Sebastian an und fragt nach Mia. Sie war bei der Aufführung von „So Long, Boulder City“ und kann sich Mia als Hauptdarstellerin in einem geplanten Film vorstellen. Sebastian fährt nach Boulder City, findet Mias Elternhaus und berichtet ihr von dem Anruf. Mia will sich keine weitere Ablehnung antun, aber Sebastian bringt sie dazu, am nächsten Tag mit ihm nach Los Angeles zu fahren und vorzusprechen. Endlich erhält sie ein vielversprechendes Angebot. Weil die Dreharbeiten in Paris stattfinden werden, bedeutet das allerdings, dass Mia und Sebastian darauf verzichten, ihre Liebesbeziehung wieder aufzunehmen.

Fünf Jahre später hat Mia sich zu einer erfolgreichen Filmschauspielerin entwickelt. Sie lebt mit ihrem Ehemann und einem kleinen Kind in New York. Während eines Aufenthalts in Los Angeles überlassen Mia und ihr Mann das Kind abends einer Nanny, weil sie zu einer Veranstaltung eingeladen sind. Als sie in einen unübersehbaren Verkehrsstau geraten, beschließen sie spontan, vom Highway abzufahren und auszugehen. An einer Ecke hören sie Jazz aus einem Keller. Der Club heißt „Seb’s“. Mias Ahnung, dass sich Sebastian seinen Traum erfüllt hat, bestätigt sich, als sie ihn auf der Bühne sieht.

Er erblickt sie unter den Gästen, hält kurz inne und spielt dann am Klavier ein Stück aus dem Jahr an, in dem sie zusammen waren: „City of Stars“. Wehmütig verlässt Mia mit ihrem Ehemann den Club, ohne ein Wort mit Sebastian gewechselt zu haben. Am Ausgang dreht sie sich um, schaut ihn an, und er erwidert ihren Blick. Beide lächeln sich bejahend an, bevor Mia weitergeht und Sebastian das nächste Stück seiner Band anzählt.