ネバダ州リノのクラブ『ムーンライトラウンジ』で歌う黒人クラブ歌手デロリスは、ネバダ一帯に縄張りを持つマフィアのボス、ヴィンスの愛人。度重なる離婚の要求を受け入れてもらえないことにしびれを切らした彼女は、ヴィンスがご機嫌取りのために妻のお古のコートを贈りつけてきたことに腹を立て、別れて町を出ようと決心する。別れ話を切り出すべくいきりたった様子で彼の部屋に乗り込むものの、運悪く彼が裏切り者を殺す現場を見てしまう。一目散に警察に駆け込んだ彼女は、ヴィンス関連の裁判を有利に進めたいサウザー警部補の思惑の下、証人保護プログラムによってサンフランシスコの女子修道院に匿われることになり、「シスター・メアリー・クラレンス」の名で尼僧としての振る舞いを余儀なくされる。
厳格で高圧的な修道院長が目を光らせる中、不自由で堅苦しい生活に辟易するデロリスだが、聖歌隊の指導を任されるようになったのを機に歌手としての本領を発揮し、下手極まりない聖歌隊を鍛え上げて聖歌をゴスペルやロック風にアレンジし、派手なパフォーマンスを繰り広げて一躍町中の人気者となる。伝統を重んじる保守的な院長との対立をよそに、資金難から閉鎖寸前だった修道院はデロリス率いる聖歌隊の活躍によって息を吹き返す。同時に、デロリスの指導の下、シスターたちは周辺環境の悪化を理由にこれまで禁じられてきた修道院外での奉仕活動に勤しみ、周辺地域の人々との交流を深めていく。その過程でデロリスはシスターたちと心を通わせ固い友情で結ばれていくが、反比例するように院長との対立とすれ違いは深まっていく。
ある日のミサの後、聖歌隊の噂を聞いたローマ法王が、サンフランシスコ訪問の際に聖歌隊の特別コンサートをやってほしいとの要望を寄せていると言う知らせが舞い込む。この上ない名誉と光栄に沸き立つシスターたちだが、伝統的な聖歌を歌うべきだと院長にたしなめられる。難色を示すデロリスたちに対し院長は多数決で決めようと言い出すが、自分に賛同する者がほぼ皆無という現実を突きつけられる。院長が深い失望感から余所へ異動しようと考えるまでになっていたことを知ったデロリスは驚き留まるよう説得するも、もはや自分は時代遅れだと言い切る彼女に拒絶される。