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