Meryl Streep: Donna Sheridan-Carmichael
Lily James: junge Donna Sheridan
Amanda Seyfried: Sophie Sheridan
Pierce Brosnan: Sam Carmichael
Jeremy Irvine: junger Sam Carmichael
Colin Firth: Harry Bright
Stellan Skarsgård: Bill Anderson
Dominic Cooper: Sky
Julie Walters: Rosie Mulligan
Christine Baranski: Tanya Chesham-Leigh
Andy García: Fernando Cienfuegos
Cher: Ruby Sheridan
Fünf Jahre nach der Handlung des Vorgänger-Films: Sophies Mutter Donna ist vor einem Jahr gestorben und Sophie sieht es als ihre Aufgabe an, das Hotel ihrer Mutter auf der (fiktiven) griechischen Insel Kalokairi weiterzuführen. Dafür will sie eine große Wiedereröffnungs-Party veranstalten und sendet Einladungen an zwei ihrer drei möglichen Väter, Harry und Bill, sowie die zwei besten Freundinnen ihrer Mutter, Tanya und Rosie. Doch zunächst sieht es problematisch aus: Ihr Mann Sky ist in New York und erhält ein Jobangebot, das er gerne annehmen möchte, während ein Unwetter die bisherigen Vorbereitungen für die Party zunichte macht. Unterstützung erhält sie von ihrem Stiefvater und möglichen leiblichen Vater Sam, der seit seiner Hochzeit mit Donna ebenfalls auf Kalokairi lebt.
Parallel dazu wird Donnas Geschichte im Jahr 1979 erzählt: Nach dem Universitäts-Abschluss in Oxford möchte die junge Frau die Welt entdecken und Erinnerungen schaffen. Sie reist daher über Paris nach Griechenland auf die Insel Kalokairi und lernt auf dem Weg dorthin zunächst Harry, dann Bill und schlussendlich Sam kennen − mit jedem von ihnen verbringt sie dabei eine romantische Nacht. Sie verliebt sich in Sam, der allerdings bereits verlobt ist, was er ihr verschweigt und die beiden gehen in Verbitterung auseinander. Donna lädt ihre Freundinnen Tanya und Rosie auf die Insel ein und tritt mit ihnen im Trio in einer Dorfbar auf, was schnell weite Zustimmung findet.
Letztendlich beschließt Donna, auf der Insel zu bleiben und eine verlassene Farm, die der Barbesitzerin gehört, zu einer Hotel-Taverne umzubauen und zu betreuen. Zudem stellt sie fest, dass sie nun ein Kind erwartet. Dasselbe bemerkt auch Sophie in der Gegenwart und da nun auch Sky, Harry und Bill mit Booten anreisen und eine Menge Leute vom Festland als Gäste mitbringen, kann die geplante Party stattfinden. Überraschenderweise kommt auch Sophies Großmutter Ruby Sheridan, eine Sängerin, zu der Donna nie ein gutes Verhältnis hatte. Sie verspricht, von nun an als Großmutter für Sophie da zu sein und trifft ihre alte Liebe Fernando wieder, den nunmehrigen Manager des Hotels „Bella Donna“.
Gegen Ende des Films ist Sophie Mutter geworden und bringt ihr Baby − wie einst ihre Mutter Donna sie − zum Taufbecken in der Pfarre, wo Donna im Geiste bei ihr ist. Der Film endet mit einer Darbietung der gesamten Besetzung des Films von Super Trouper.
