在洛杉矶105/110高速公路的拥堵车流中，一场突如其来的歌舞打破了沉闷。《爱乐之城》的开场如同经典老式音乐剧般华丽展开——镜头从窄画幅缓缓扩展至宽银幕，被困在车阵中的路人陆续加入《Another Day of Sun》的合唱，在引擎盖上起舞，在沥青路面上踢踏。当歌声戛然而止，所有人若无其事地回到车内，只剩下女主角米娅（艾玛·斯通饰）仍沉浸在自己的试镜台词中，被塞巴斯蒂安（瑞恩·高斯林饰）不耐烦的鸣笛惊醒。
怀揣演员梦的米娅在华纳兄弟片场的咖啡店打工，每天为光鲜亮丽的剧组人员递送咖啡。某次为明星免单时，她悄悄将小费投入罐子，眼神却追随着对方乘坐高尔夫球车离去的背影。试镜现场，她刚投入情绪念完台词，选角导演却因一通电话直接打断了表演。更讽刺的是，电梯里三个与她造型雷同的女孩，正提醒着好莱坞残酷的替代法则。
与此同时，痴迷传统爵士的塞巴斯蒂安目睹着又一家爵士酒吧倒闭。当他对着妹妹痛心疾首地讲述查理·帕克的传奇时，墙上贴着的水电费催缴单揭示着理想主义的代价。在米娅与室友们参加的好莱坞派对上，慢镜头里的香槟泡沫与搭讪的油腻老男人构成浮华图景，直到她被钢琴声牵引至一家餐厅——塞巴斯蒂安正违抗老板（J·K·西蒙斯客串）指令，在圣诞曲目中插入自己的爵士独奏。当琴键流淌出即兴旋律，整个餐厅仿佛沉入蓝色梦境，也让门外的米娅驻足凝望。
季节流转至春日，二人在80年代主题派对上再度相遇。塞巴斯蒂安穿着鲜红运动服演奏合成器，被米娅点播的《I Ran》气得跳脚。归途中他们沿着盘山公路寻找车辆，在魔法时刻（Magic Hour）的粉紫色晚霞下，突然开启《A Lovely Night》的斗嘴式对唱。米娅换上球鞋跃入画面，两人在好莱坞山巅跳起阿斯泰尔与罗杰斯式的踢踏舞，直到男友来电打破默契。
塞巴斯蒂安带爵士小白米娅探访灯塔咖啡馆，当乐队奏响《Take Five》，镜头突然切换至她幻想中的黄金年代——黑白胶片质感的舞池，萨克斯手即兴solo时额头渗出的汗珠。这个夜晚以《无因的反叛》观影约会收尾：放映机故障后，他们溜进格里菲斯天文台，在星空投影下跳起零重力华尔兹，塞巴斯蒂安哼唱的《City of Stars》成为爱情主题曲。
盛夏的热恋期，两人在公寓规划未来。米娅为塞巴斯蒂安设计爵士俱乐部logo，坚持要用"Seb's"而非他恶趣味的"烤鸡串"店名；而他鼓励她创作单人剧，不再忍受试镜羞辱。但当塞巴斯蒂安加入老友（约翰·传奇饰）的融合爵士乐队，巡演与录音计划让关系逐渐失衡。某次争吵中，他脱口而出："你不过是想让我和你一样失败"，彻底击碎了米娅的坚持。
秋叶飘零时，米娅的独角戏惨淡收场，仅有的十名观众中有九位在后台吐槽"演技拙劣"。当塞巴斯蒂安因乐队写真错过演出，两人在空荡剧场外的对话令人心碎："也许我该承认，自己不是当演员的料。"她退回内华达州老家，直到一通选角导演的电话改变命运——塞巴斯蒂安连夜驱车赶来，如同她当年被爵士乐吸引般，用车喇叭唤醒她的梦想。
五年后的蒙太奇堪称全片华彩：已成巨星的米娅与丈夫偶然走进"Seb's"爵士俱乐部，招牌上正是她设计的音符撇号。当塞巴斯蒂安弹起《City of Stars》，镜头突然展开平行时空的想象——他们结婚生子，在堵车时溜进爵士酒吧，坐在当年同样的位置。这段十分钟的幻想歌舞最终收束于现实中的相视一笑，钢琴余音里藏着所有未说出口的"如果"。
从冬到冬的循环叙事中，季节成为情感的温度计：春日山径的试探舞步，夏夜天文台的悬浮之吻，秋雨中的决裂，以及冬日重逢时，两人眼中倒映着彼此实现的梦想。当米娅最后回望俱乐部招牌，观众才惊觉：这不仅是爱情故事，更是献给所有追梦傻瓜的情书——那些在星空下跳舞的人，终究要回到地面继续前行。