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Nell'immaginaria isola greca di Kalokairi, la futura sposa ventenne Sophie Sheridan rivela alle sue damigelle d'onore, Ali e Lisa, di aver invitato segretamente tre uomini al suo matrimonio senza dirlo a sua madre, Donna ("Honey, Honey"). Si tratta degli uomini con cui il diario della madre rivela che ha avuto rapporti sessuali durante i 25 giorni che hanno coinciso con il concepimento di Sophie. Sono l'architetto irlandese-americano Sam Carmichael, l'avventuriero e scrittore svedese Bill Anderson e il banchiere britannico Harry Bright. Spera che suo padre la accompagni all'altare nel suo grande giorno e crede che, dopo aver trascorso del tempo con loro, saprà chi è suo padre.

Donna, che possiede una villa e la gestisce (con scarso successo) come hotel, sperando in una vita migliore, magari grazie a un uomo ("Money, Money, Money"), è entusiasta di ritrovare le sue vecchie amiche ed ex compagne di band delle Dynamos, la spiritosa autrice Rosie Mulligan e la ricca pluridivorziata Tanya Chesham-Leigh. Rivela il suo sconcerto per il desiderio della figlia di sposarsi e mostra la villa a Rosie e Tanya. I tre uomini arrivano e Sophie li nasconde nella vecchia capraia. Non rivela di essere convinta che uno di loro sia suo padre, ma spiega che è stata lei a mandare gli inviti al matrimonio, non sua madre. Dice loro di nascondersi in modo che Donna sia sorpresa dai vecchi amici di cui "spesso" parla con favore. Le due donne sentono Donna che sta lavorando e giurano che non riveleranno il segreto di Sophie.

Donna li spia e rimane sbalordita nel trovarsi di fronte ai suoi ex amanti ("Mamma Mia"), chiedendo loro di andarsene. Confida a Tanya e Rosie ("Chiquitita") di non sapere chi dei tre abbia generato Sophie. Tanya e Rosie la tirano su di morale facendola ballare con un ensemble tutto al femminile di personale e isolani ("Dancing Queen"). Sophie trova gli uomini a bordo della barca a vela di Bill e navigano intorno a Kalokairi, raccontando le storie della spensierata giovinezza di Donna ("La nostra ultima estate"). Sophie ha intenzione di dire al suo fidanzato, Sky, del suo stratagemma ma perde il coraggio. Sky e Sophie rivelano il loro amore reciproco ("Lay All Your Love on Me"), ma Sky viene subito portato via per il suo addio al celibato.

All'addio al nubilato di Sophie, Donna, Tanya e Rosie si esibiscono per la prima volta dopo anni ("Super Trouper"). Quando arrivano Sam, Bill e Harry, Sophie decide di parlare da sola con ognuno di loro. Mentre le sue amiche ballano con gli uomini ("Gimme! Gimme! Gimme!"), Sophie scopre da Bill che Donna ha ricevuto i soldi per la sua villa dalla prozia Sofia. Sophie ipotizza che il suo nome sia proprio quello di Sofia. Gli chiede di accompagnarla all'altare e di mantenere il segreto fino al matrimonio. La felicità di Sophie è di breve durata: Sam e Harry la prendono da parte per dirle che loro sono suo padre e che la porteranno all'altare. Sophie, sopraffatta dalle conseguenze di aver suscitato le speranze di tutti e tre gli uomini, sviene ("Voulez-Vous").

Al mattino, Rosie e Tanya assicurano a Donna che si prenderanno cura degli uomini. Bill e Harry intendono raccontarsi ciò che hanno appreso la sera precedente, ma Rosie li interrompe. Donna affronta Sophie, credendo che voglia fermare il matrimonio. Sophie risponde che vuole solo evitare gli errori di sua madre. Sam si avvicina a Donna, preoccupato per il fatto che Sophie si sia sposata così giovane. Donna lo affronta e i due si rendono conto di provare ancora qualcosa l'uno per l'altra ("SOS"). Tanya e il giovane Pepper continuano il flirt della sera precedente ("Tua madre lo sa?"). Sophie confessa a Sky e chiede il suo aiuto, ma lui reagisce con rabbia all'inganno di Sophie e lei si rivolge a sua madre per avere supporto. Mentre Donna aiuta la figlia a vestirsi per il matrimonio, la loro frattura si ricuce e Donna ricorda l'infanzia di Sophie ("Slipping Through My Fingers"). Donna ammette che sua madre le aveva detto di non tornare a casa se fosse rimasta incinta e Sophie chiede a Donna di portarla all'altare. Mentre la festa nuziale si dirige verso la cappella, Sam intercetta Donna, che le rivela il dolore provato per averlo perso ("The Winner Takes It All").

Sophie e Donna percorrono la navata mentre la band suona. Donna dice a Sophie e a tutti gli invitati che suo padre potrebbe essere uno qualsiasi dei tre uomini. Sam rivela che, pur avendo lasciato Donna per sposarsi, non è andato fino in fondo, ma è tornato per trovare Donna con un altro uomo (Bill). Gli uomini non vogliono che la paternità sia confermata e accettano di essere un terzo di padre per Sophie. Lei dice a Sky che dovrebbero rimandare il loro matrimonio e viaggiare per il mondo. Sam chiede a Donna di sposarlo, rivelandole di essere divorziato e di averla amata per tutto questo tempo. Lei accetta e si sposano ("Lo voglio, lo voglio, lo voglio, lo voglio, lo voglio"). Al ricevimento, Sam canta a Donna ("When All Is Said and Done") e Rosie fa un tentativo per Bill ("Take a Chance on Me"). Le coppie proclamano il loro amore. Sophie e Sky salpano ("I Have a Dream"). Seguono i titoli di coda, con il cast che si esibisce in canzoni extra ("Dancing Queen", "Waterloo").