Historien begynner på den greske øya Kalokairi, der Sophie Sheridan (Amanda Seyfried) forbereder bryllupet sitt med Sky (Dominic Cooper). Sophie har alltid blitt oppdratt av sin alenemor, Donna (Meryl Streep), og har aldri møtt faren sin. Hun leser i all hemmelighet morens dagbok og oppdager at hun har tre mulige fedre:Sam Carmichael (Pierce Brosnan), Bill Anderson (Stellan Skarsgård) og Harry Bright (Colin Firth).
Sophie er fast bestemt på å finne ut hvem faren hennes er, og inviterer alle tre mennene til bryllupet hennes uten å fortelle det til Donna. Når de ankommer, er Donna sjokkert og opprørt, men hun går med på å la dem bli i bryllupet. Etter hvert som helgen går, blir Sophie kjent med hver av mennene og begynner å lure på hvem hennes virkelige far er.
I mellomtiden takler Donna sine egne følelser om fortiden. Hun er fortsatt forelsket i Sam, men hun er også redd for å bli såret igjen. Hun betror seg til sine to beste venninner, Rosie (Julie Walters) og Tanya (Christine Baranski).
På tampen av bryllupet snakker Sophie hjerte til hjerte med hver av de tre mennene. Hun lærer mer om deres fortid og deres forhold til Donna. Hun lærer også at hver av dem har et spesielt bånd til henne.
Til syvende og sist bestemmer Sophie seg for at hun ikke trenger å vite hvem faren hennes er. Hun er glad for kjærligheten og støtten fra moren og vennene hennes. Hun gifter seg med Sky, og de lever alle lykkelige alle sine dager.