Parallelt fortelles historien om hvordan unge Donna (Lily James) møtte Sophies tre fedre i 1979. Etter uteksamineringen fra Oxford, bestemmer hun seg for å dra ut i verden for å oppsøke eventyr. På veien til den greske øya Kalokairi, møter hun Harry (Hugh Skinner), Bill (Josh Dylan) og Sam (Jeremy Irvine), som alle forfører Donna på hver sin unike måte. Donna bestemmer seg for å bli igjen på øya for å drive sitt eget hotell. Der blir hun nødt til å oppdra barnet sitt på egen hånd – uten hjelp fra sin mor.