너무나도 아름다운 바다가 있는 그리스 지중해의 섬에서 시작된다. 결혼을 하루 앞둔 소피는 자신의 제일 친한 친구들 알리, 리사에게 자신이 우연히 발견한 엄마의 일기장을 통해 아버지일 가능성이 있는 세 명을 엄마 도나의 이름으로 초대했다고 말한다.
소피에게 초대된 세 명의 아버지 후보인 샘, 해리, 빌은 우연히 선착장 앞에서 만나 다 같이 빌의 보트를 타고 섬으로 출발한다. 도나의 젊은 시절에 결성했던 그룹인 ‘도나와 다이나모’의 절친한 친구들인 로지와 타냐 역시 섬에 도착한다. 서로 즐거운 시간을 보내는 도중에 도나의 여관 창문이 떨어지고 바닥에 금이 가는 등 여관의 부실한 점들이 드러나게 된다.
엄마 도나의 옛 연인들이 도착하면 한눈에 자신의 아버지가 누구인지 알 수 있을 것 같다던 소피는 전혀 갈피를 못 잡는다. 일단 세 명을 자신의 염소 집에 묵으라고 하며 엄마 도나가 알지 못하도록 신신당부하지만 결국 도나는 세 명의 남자를 보고야 만다. 너무나도 갑자기 옛 연인들 세 명과 만나게 되어 당황한 도나는 끝내 울음을 터트리고 그런 도나를 로지와 타냐가 달랜다.
도나는 친구들에게 소피를 가진 해에 세 명의 남자들을 만났다고 고백하고 절대 자신의 딸인 소피가 알아선 안 된다면서 자신이 너무 헤프게 행동해서 이런 결과를 낳았다고 말한다. 친구 로지와 타냐는 슬퍼하는 도나의 기분을 풀어주기 위해 노력한다.
한편 소피는 멀리서 보트를 타고 있는 세 명의 아빠 후보들을 보고 섬을 떠나는 줄 알고 붙잡는다. 그리고 보트 위에서 해리, 빌, 샘은 각자가 지니고 있는 엄마와 얽힌 추억에 대해 말해주고, 샘은 소피의 그림 실력을 눈여겨본다.6) 집에 돌아온 소피는 스카이에게 가서 놀다가 시간 가는 줄 몰랐다고 대충 둘러댄다.
결혼식 전날 파티가 시작되고 결혼을 앞둔 소피를 위해 도나와 도나의 친구들이 1970년대 분장을 하고 공연을 한다. 도나의 공연이 끝난 후로도 한여름의 축제 같은 분위기로 파티는 계속된다. 소피와 따로 만난 샘은 소피에게 미술 쪽으로 나가보지 않겠냐고 조언하지만, 소피는 엄마 혼자 호텔을 할 수 없다고 한다. 그리고 해리와 얘기해보곤 자신의 아빠가 아직 누군지 확신하지 못한다. 이어서 빌과 얘기를 나누던 중 빌의 증조부가 엄마 도나에게 유산을 남겨줬다는 것을 알게 되자 소피는 빌이 아버지일거라고 생각하게 된다.
계속되는 파티의 마지막에는 신랑 측 친구들이 몰려와 함께 춤추고 즐거운 시간을 갖는데 빌은 자신이 소피의 아버지라는 사실을 말하고자 도나에게 향한다. 샘은 자신이 여기 온 이유를 알겠다며 자신이 소피의 아버지인 걸 언제 알았냐고 소피에게 묻는다. 그리고 해리 역시 자신을 초대한 이유가 결혼식장에 아버지인 자신의 손을 잡고 입장하고 싶었던 거라면서 소피를 혼란스럽게 하고 이러한 모든 갑작스런 상황들에 당황한 소피는 결국 기절한다.
그렇게 하루가 지나고 드디어 결혼식 당일이 되었다. 스카이와 소피 사이에 무슨 문제가 있었다고 생각한 도나는 소피에게 스카이와 무슨 일이 있었다면 지금이라도 결혼을 늦출 수 있다고 말한다. 이에 화가 난 소피는 자신은 스카이를 사랑하며 아빠 없이 자란 것이 얼마나 싫었는지 말하면서 엄마에게 화를 낸다. 도나를 찾아간 샘은 소피가 이곳에만 있기에는 아깝다며, 결혼이 그 애가 진심으로 원하는 것이냐고 묻는다. 그리고 소피가 이 섬을 떠나지 못하는 이유는 엄마를 혼자 두고 가는 걸 원치 않아서라고 하며 엄마 혼자 잘 지낼 수 있다는 것을 보여줘야 한다고 말한다.
한편 스카이의 친구 페퍼는 자꾸만 타냐를 유혹하려고 하는데, 타냐는 그가 어리다는 이유로 거절한다. 이때 결혼식 준비를 하고 있는 도나에게 해리가 도움이 되고 싶다며 돈을 건네고, 소피는 스카이에게 엄마 모르게 자신이 세 명을 초대했다고 고백한다. 자신 모르게 청첩장을 보냈다는 사실에 화가 난 스카이는 가버린다. 어쨌든 결혼식 준비를 해야 하는 소피는 도나에게 드레스를 입고 준비하는 것을 도와달라고 한다. 그런 소피를 보면서 도나는 어느덧 훌쩍 커버린 소피의 모습에 흐뭇한 마음과 함께 알 수 없는 기분에 휩싸인다.
결혼식장을 향해 소피는 출발하고, 뒤따라가던 도나를 샘이 막으며 소피가 누구와 손을 잡고 결혼식장에 들어갈 것인지 이야기하자고 하지만, 도나는 자신이 할 것이며 아버지는 없다며 더 이상 듣고 싶지 않다고 한다.
그렇게 결혼식은 시작되고 소피는 도나의 손을 잡고 입장한다. 주례가 본격적으로 시작될 무렵 도나는 소피에게 아버지에 대해 말하려고 하지만 소피는 자신이 세 명을 초대했다고 말한다. 소피의 말에 모든 사실을 알게 된 도나는 당황하지만 오히려 소피에게 사과를 하게 되고, 소피는 엄마가 몇 명의 남자와 잤는지는 상관없으며 엄마를 사랑한다고 한다. 이때 샘이 끼어들며 샘도 해리도 빌도 소피의 아빠가 될 수 있는 거냐고 묻는다. 그러자 도나는 오히려 샘이 자신을 두고 다른 여자와 결혼만 안 했어도 이런 일은 없었을 거라는 원망을 한다. 이에 샘은 그 당시 약혼녀가 있었기에 돌아가서 약혼을 취소하고 돌아왔는데, 돌아왔을 때엔 이미 도나가 다른 남자(빌)와 함께 떠났다고 말한다.
그렇게 샘과 오해가 풀리고, 해리와 빌이 식장으로 나와 소피가 3분의1 만큼만 자신의 딸이라도 상관없다고 하자 소피는 세 명의 아빠를 동시에 얻게 된다. 소피는 자신의 아빠가 누구인지는 모르겠으나 자신이 정말 원하는 게 무엇인지 깨닫게 됐다면서 상관없다고 한다. 그리고 스카이에게 결혼을 미루고 세계여행을 가자고 하면서 결혼식은 취소된다. 이때 샘은 자신은 이혼남이며 이 섬에 발을 디딘 순간부터 도나에게 자신이 얼마나 사랑하는지 말해주고 싶었다면서 도나에게 청혼한다. 결국 샘과 도나는 결혼하고 행복한 결혼식 뒤풀이가 시작된다.
한편 도나의 친구 로지는 빌에게 관심을 갖고, 빌에게 구애하고 결국 둘 역시 연결된다.
결혼식이 모두 끝난 후, 소피는 스카이와 함께 여행을 하기 위해 엄마 도나와 작별 인사를 한 뒤 배를 타고 떠난다.
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