故事的开始，是洛杉矶的一段塞车的高架桥。整条 105 号公路一动不动，太阳热得像把所有人煎在椅子上。在这一长串的车流里，有两辆车——一辆是塞巴斯蒂安的老式敞篷车，他是个连工资都付不起、却固执地想开一家属于自己的爵士酒吧的钢琴师；一辆是米娅的小车，她在华纳片场对面的咖啡馆里端咖啡，业余时间疯狂地试镜，每次试镜都被对方在第一句话就打断。两个失败者，因为一阵喇叭、几个白眼，就这样第一次"擦肩"。
他们又在一家餐厅里相遇——他在台上弹钢琴，被老板要求只能弹圣诞歌单。可那一晚他弹了一段他自己的爵士小调，被老板当场炒掉。他抱着乐谱往外走，米娅站在角落里，正想过去夸他。他从她身边阴沉地走过，连看她一眼都没有。她气坏了。命运又把他们撞到一次——是在一场无聊的好莱坞泳池派对上。她故意点了一首他最讨厌的 80 年代流行金曲让他弹，他只能咬着牙弹完。表演结束，他们俩走在夕阳下的小山上，互相损对方，一边损一边踩着脚跳起了舞。那一支双人踢踏舞，是他们这一辈子的开场。
他们相爱了。她租下他的公寓楼对面那栋的小阳台，他每天在天台上为她弹一首叫《City of Stars》的曲子。他们一起去看老电影，去格里菲斯天文台跳进星空里。他帮她相信自己能做一个真正的演员，她帮他相信他能开一家叫"Seb's"的爵士酒吧。他们在一起的每一天，整个洛杉矶看上去都像一台旋转得正好的留声机。
可现实开始把他们慢慢分开。他被一个商业乐队签下，开始全国巡演，赚到了第一份像样的工资，可他的爵士梦正在被他自己亲手卖掉。她写了一出独角戏，没人来看，演完之后她在化妆间里崩溃大哭，决定回老家了。两个人在那一晚吵了一架——那是他们这辈子吵的最难听的一架。她说："你不再是你了。"他说："你以为我们俩可以不吃饭吗？"——他们都没错，他们只是各自被生活磨成了不一样的形状。
五年后，米娅成了真正的电影明星。她和另一个体面的男人结婚了，有了一个可爱的小女儿。某一个晚上，她和丈夫开车回家，路过一家不起眼的小酒吧，门口挂着一块木质的招牌——"Seb's"。两人推门进去。台上一个穿西装的男人正在弹钢琴，他抬起头，看见米娅。整个酒吧瞬间安静下来。他的指尖颤了一下，然后他开始弹《City of Stars》。她在台下，看着另一个版本的他们在脑海里上演——那个版本里他们结了婚、有了孩子、永远没有分开。曲子结束。她朝门口走，临走前回头，他对她点了点头，她也对他笑了一下。两个人都没有说一句话。他们没有在一起，可他们各自，都成了那个最初梦想里的自己。