故事發生在當代一個如夢幻般的希臘小島上，音樂劇《媽媽咪呀！》講述了在差異并不大的兩代人之間，發生的完全不同的愛情故事。
序幕：介紹即將成為新娘的索菲，她正寄出三封特殊的婚禮邀請信。
第一幕：婚禮前一天，索菲的伴娘阿莉和麗莎，抵達了小島。索菲透露了她已邀請了她父親參加婚禮。她自己也不知道父親是誰，因為母親唐娜從來沒有談起過。但索菲從唐娜以前的日記中發現有三個男人可能會是他的父親。她沒有告訴她母親，便邀請了這三個男人來到小島，希望見到他們后能找出他來。如果她不能馬上發現誰是她父親，那她就只剩下24小時去尋找了。
接著抵達小島的是羅西和坦亞，她們曾是女子樂隊“唐娜和動力組合”的成員。坦亞是一位離過三次婚而且頗有魅力的女士，她很快與酒館里的伙計派佩爾和埃蒂打情罵俏起來。唐娜還介紹了索菲的未婚夫斯凱給她認識。
當盼望中的三個父親從漁船上下來時，酒館的庭院中空無一人。比爾·奧斯丁，哈利·布賴特和山姆·卡爾邁克，他們三個彼此并不認識，但很快發現了他們與唐娜的聯系，以及他們21年前在小島上冒險的經歷。索菲見到三個男人之后不知所措。她承認了是她發的邀請，但也不得不承認她的母親對此一無所知。這對她母親意味著一個美好的驚喜，所以索菲請求他們三人，假裝這是一次偶然的相遇。 山姆最后不情愿的答應了，因為曾經無情地拋棄過索菲。
唐娜見到這三位男人，感覺像作噩夢一般。她試圖讓他們離開小島，但以山姆為首，這些男人堅持要留下來。唐娜憤懣不平的退下，三個男人依然認為唐娜充滿魅力。
唐娜將她不為人知的秘密告訴了坦亞和羅西，并告誡絕對不能讓索菲知道。坦亞和羅西再次向她保證，在婚禮結束之前一定替她保守秘密。她們還勸唐娜不要太難過，仍然是她們的“搖滾超級辣妹”。她們唱起了一首過去的保留歌曲，喚起了氣氛，很快唐納也跟著一起歌唱和舞蹈起來。
索菲猶豫不決地告訴斯凱，島上有三個男人，其中有一個可能是她的父親。但他們倆的對話被穿著潛水服的男性單身舞會打斷了。斯凱必須按照古老的島上傳統，給她的新娘送上項鏈。當男孩離開船，索菲和女孩們一起開始了未婚女孩的舞會。“唐納和動力組合”的特殊表演令索菲感到很驚奇，那些成員因為穿著以前的服裝，身體都包得緊緊的。演出很成功，直到山姆，比爾和哈里到來后才結束。羅西要求三個男人離開，但索菲堅持讓他們留下，她們一起在舞蹈中旋轉，而唐納在混亂中離開了。索菲向這些男人詢問，但似乎沒有什么結果，直到比爾問起唐納是如何籌到錢建造起酒館的問題。索菲透露，有一個唐娜照看的老婦人留了錢給她，那個婦人叫做索菲婭。比爾意識到這個老婦人一定是他的大姨媽，他一直以為大姨媽把錢都留給了家庭。在防波堤，索菲質問比爾，比爾承認他是她的父親，并同意帶領她走進婚禮殿堂。
索菲欣喜萬分的回到舞會，斯凱也帶著給她的項鏈回來了。但山姆卻像透露了爆炸性新聞，他告訴索菲，他才是她的父親，他要在婚禮時站在她身旁。索菲聽后目瞪口呆，之后哈利又告訴索菲，答案終于揭曉。她的父親只會是他，這才是他邀請前來的原因。他迫不及待要把索菲的手交到新郎手里。之后音樂和舞蹈響起，又一次包圍了索菲，第一幕幕布落下。
第二幕：索菲做了一場惡夢：三個爸爸搶著要帶她走向新郎，身后還有一群穿著奇怪的緊身衣的人。她大喊著醒來，發現自己在餐廳外頭，唐娜趕緊過來安慰她—她剛才夢游了。唐娜覺得索菲害怕結婚了，可是索菲生氣地告訴母親她想要結婚并要讓她的孩子知道自己的父親是誰。唐娜一個人呆住了。斯凱、派佩爾和埃蒂來了，醉醺醺的還帶著一支風笛。唐娜讓他們去收拾屋子。留下的風笛卻喚醒了她對山姆的回憶，他才是唐娜真正愛過的人—當山姆回到自己未婚妻身邊時，唐娜開始與比爾和哈里交往，期望能忘掉他。她依然感到心痛憤怒，所以當山姆晨煉回來和她好聲打招呼時，唐娜沒好氣地和他吵了起來。
還有點小醉的坦亞在曬太陽浴。哈里過來問了她一些關于婚禮上新娘父親的事情，然后慌慌張張地跑開了。沙灘上只剩下坦亞和多情的派佩爾。派佩爾欲和坦亞調情卻被釣魚歸來的人們打斷了。比爾邀請羅西共進早餐，是不是一段感情正在萌芽？派佩爾又在坦亞那里碰了釘子，兩人都離開了沙灘，這是斯凱出現，在練習著他的婚禮發言。
索菲向斯凱說明了邀請（三個“父親”）的事情，斯凱氣憤地質問這場婚禮是否就是索菲為了尋找父親而玩的把戲。山姆偶然聽到了斯凱要求索菲決定自己到底需要什么，然后山姆向索菲表明自己的婚姻最終以離婚告終。
與此同時，哈里找到唐娜，要給她一張支票。就在他們共同懷舊的時候，索菲闖入打斷了他們。哈里擔心暴露索菲的秘密，所以趕緊走開了。唐娜幫著索菲穿上婚禮禮服的時候，回想起了女兒當年的樣子，以及母女共同分享的日子。索菲和母親說要她陪伴自己走向新郎。
索菲離開后，山姆沖了進來。索菲告訴了他唐娜將伴她走向新郎，山姆不明白為什么不是當父親的來做。唐娜告訴他她沒法解釋，她也不想提起他們之間曾有的關系。
儀式開始前幾分鐘，比爾問羅西是否要告訴唐娜他認為自己就是索菲的父親。羅西讓他安靜坐下等著婚禮結束再說。比爾說他討厭婚禮。羅西十分高興—至少這個男人不會非要她舉行婚禮。她提出比爾可以和她交往交往。婚禮賓客的到來打斷了他們談情說愛。
儀式開始了。唐娜再也不能隱藏自己的秘密了，她告訴索菲她的父親就在這里。索菲坦承自己已經知道了—是她發出的請帖。在震驚之后，山姆、比爾和哈里答應雖然他們都能搞清楚誰是索菲的親身父親，他們還是愿意共同當她的爸爸。
索菲和斯凱決定暫時不結婚了—他們要離開這座小島出去闖世界。為了不讓婚禮儀式泡湯，山姆向唐娜求婚了—他一直愛著唐娜。而她也一直愛著山姆。
儀式結束后，索菲和斯凱在月光下走向廣闊的天地……