Il y a longtemps, Imelda Rivera était mariée à un musicien rencontrant ses premiers succès. Ce dernier quitta sa femme et sa fille, Coco, pour poursuivre sa carrière musicale. Laissée à elle-même, Imelda fut obligée de travailler et créa une entreprise de cordonnerie, transmise de génération en génération. En représailles contre son époux, elle bannit toute musique dans sa famille.
Dans le présent, nous retrouvons miguel, arrière petit fils de Imelda âgé de 12 ans, qui rêve de devenir musicien. Lors des préparatifs de la fête des morts, Miguel casse accidentellement le cadre de la photo d'Imelda. Il découvre que la personne qui se tient à côté d'elle tient la guitare blanche d'Ernesto.Plus tard dans la soirée, quand Miguel fait part à sa famille de son intention de participer au concours de talents du Jour des Morts, sa grand-mère Elena détruit sa guitare. Furieux, il quitte la maison et se dirige vers le cimetière de la ville.
Miguel, qui est persuadé d'être le petit fils d'Ernesto, entre dans son mausolée et vole sa guitare pour participer au concours. Alors qu'il joue un accord, il devient invisible aux yeux des vivants et rencontre ses défunts ancêtres. Il apprend que s'il ne reçoit pas la bénédiction d'un membre de sa famille avant l'aube, il restera coincé à tout jamais dans le royaume des morts.
Dans sa fuite, Miguel rencontre Hector, un squelette malchanceux prétendument mort d’une indigestion, qui n’est pas autorisé à traverser le Pont car sa photo n’est affichée sur aucun autel familial, et qui a autrefois joué avec Ernesto : il lui propose de l'aider à le rencontrer. Avec l’aide d’Hector, Miguel participe avec succès à un concours de chant dont le vainqueur sera invité à participer au concert de l’Aurore donné par Ernesto.
Miguel parvient à attirer l’attention d’Ernesto en chantant sa célèbre chanson "Ne m'oublie pas". Celui-ci l’accepte comme son descendant, mais Hector survient et les confronte, implorant Miguel de prendre sa photo avec lui. Il apprend alors la vérité sur sa mort : en réalité le véritable ancêtre de Miguel n'est autre qu'Hector et il a été tué par Ernesto.
Jeté avec Hector dans un trou par Ernesto, Miguel découvre que c'est Hector le véritable musicien et non pas Ernesto, qui lui a tout volé. Réussissant à s'échapper grâce a Dante, Miguel explique sa découverte à ses ancêtres. Ernesto, qui est effrayé à l'idée que Miguel révèle la suppercherie au monde des vivants, le jette dans le vide. La public du monde des morts découvre alors la supercherie. Miguel est sauvé et reçoit la bénédiction d'Imelda et peut ainsi rentrer dans le monde des vivants.
Un an plus tard, Miguel présente l'autel — avec une photographie de feue Coco — à sa nouvelle petite sœur. Les lettres d'Héctor que Coco avait gardées pour lui (contenant la preuve qu'Ernesto s'était accaparé la musique d'Héctor) ont conduit à la destruction de l'héritage de De la Cruz, le public honorant désormais Héctor Rivera. Au Pays des Morts, Héctor, Imelda, Coco et les autres rendent visite à leurs descendants, alors que Miguel joue et chante pour les siens, morts comme vivants.
