Au cœur de Los Angeles, une actrice en devenir prénommée Mia (Emma Stone) sert des cafés entre deux auditions. De son côté, Sebastian (Ryan Gosling), passionné de jazz, joue du piano dans des clubs miteux pour assurer sa subsistance. Tous les deux sont bien loin de la vie rêvée à laquelle ils aspirent... Le destin va réunir ces doux rêveurs, mais leur coup de foudre résistera-t-il aux tentations, aux déceptions, et à la vie trépidante d'Hollywood?