La ventenne Sophie (Amanda Seyfried) è in procinto di sposarsi con l'amato Sky (Dominic Cooper), vive sulla piccola isola di Kalkairi, in Grecia, dove assieme alla madre Donna (Meryl Streep) gestisce un hotel chiamato Villa Donna. Sophie sente che nella vita le è sempre mancato qualcosa, dato che non ha conosciuto l'identità del padre. Sophie trova un vecchio diario della madre, in cui viene raccontata la gioventù di Donna, che nel periodo precedente alla sua nascita frequentava tre uomini diversi, credendo che uno dei tre possa essere suo padre, l'insaputa della madre, spedisce gli inviti di matrimonio ai tre uomini.

Il matrimonio si avvicina e gli invitati iniziano ad arrivare sull'isola, arrivano le migliori amiche di Sophie, Ali e Lisa, e le migliori amiche di Donna, la divertente scrittrice single Rosie (Julie Walters) e la ricca e tre volte divorziata Tanya (Christine Baranski), con lei quali vent'anni orsono formavano il gruppo delle Donna and the Dynamos. Sull'isola arrivano anche in tre vecchie amori di Donna, Sam Carmichael (Pierce Brosnan), Harry Bright (Colin Firth) e Bill Anderson (Stellan Skarsgård). Sophie cerca di tenere nascosto l'arrivo dei tre ex amanti alla madre, ma Donna ben presto scopre della loro presenza sull'isola e cerca di tenerli alla larga, soprattutto per proteggere la figlia.

Tra balli e canti, Sam, Harry e Bill, iniziano a sospettare che ognuno di loro potrebbe essere il padre di Sophie, così, in momenti diversi, si propongono alla ragazza per accompagnarla all'altare. Sophie adesso si trova in una posizione scomoda, perchè solo uno è suo padre, come dirlo agli altri due che ormai si sono autoconvinti. Sam cerca di aiutare Sophie a trovare la sua strada e non di sentirsi in dovere nei confronti della madre, che con tanti la cresciuta da sola, perchè Donna è una persona forte e può cavarsela anche da sola.

Arriva il giorno del matrimonio, ma ad accompagnare Sophie all'altare è la madre. La resa dei conti arriva proprio durante la cerimonia, i tre uomini voglio sapere la verità; chi è il padre di Sophie? La ragazza decide di rimandare il matrimonio, e su consiglio di Sam, decide di girare il mondo con Sky, in quello momento Harry dichiara ai presenti di essere gay ed inspettatamente Sam chiede a Donna di sposarlo, che accetta. La festa che ne segue porta Rosie a flirtare con Bill. Ognuno ha trovato la sua felicità.

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