Die Geschichte beginnt auf der griechischen Insel Kalokairi, wo Sophie Sheridan (Amanda Seyfried) sich auf ihre Hochzeit mit Sky (Dominic Cooper) vorbereitet. Sophie wurde immer von ihrer alleinerziehenden Mutter Donna (Meryl Streep) großgezogen und hat ihren Vater nie getroffen. Sie liest heimlich das Tagebuch ihrer Mutter und entdeckt, dass sie drei mögliche Väter hat:Sam Carmichael (Pierce Brosnan), Bill Anderson (Stellan Skarsgård) und Harry Bright (Colin Firth).
Entschlossen, herauszufinden, wer ihr Vater ist, lädt Sophie alle drei Männer zu ihrer Hochzeit ein, ohne Donna davon zu erzählen. Als sie ankommen, ist Donna schockiert und verärgert, willigt jedoch ein, sie zur Hochzeit bleiben zu lassen. Im Laufe des Wochenendes lernt Sophie jeden der Männer kennen und beginnt sich zu fragen, wer ihr richtiger Vater ist.
Unterdessen setzt sich Donna mit ihren eigenen Gefühlen gegenüber der Vergangenheit auseinander. Sie ist immer noch in Sam verliebt, hat aber auch Angst, erneut verletzt zu werden. Sie vertraut sich ihren beiden besten Freundinnen Rosie (Julie Walters) und Tanya (Christine Baranski) an.
Am Vorabend der Hochzeit führt Sophie mit jedem der drei Männer ein persönliches Gespräch. Sie erfährt mehr über ihre Vergangenheit und ihre Beziehungen zu Donna. Sie erfährt auch, dass jeder von ihnen eine besondere Bindung zu ihr hat.
Letztendlich beschließt Sophie, dass sie nicht wissen muss, wer ihr Vater ist. Sie ist glücklich über die Liebe und Unterstützung ihrer Mutter und ihrer Freunde. Sie heiratet Sky und alle leben glücklich bis ans Ende ihrer Tage.