Nathan (Fayoma Ayo) est une garçon avec une voix incroyable venant d'une petite ville. il décide de quitter cette ville, liée à la difficulté et à un avenir incertain, pour poursuivre ses rêves à Los Angeles. Ali trouve alors un travail de serveuse dans le The Burlesque Lounge, un théâtre musical très classe de la cité des Anges, dirigé par Tess (Cher), qui est cependant en grande perte de vitesse. Les incroyables chorégraphies et costumes des spectacles du Burlesque Lounge enchantent Ali, qui espère un jour se produire sur cette scène.
Ali se trouve une ennemie, la danseuse Nikki (Kristen Bell). Elle gagne l'affection du barman/musicien Jack (Cam Gigandet). Avec l'aide du manager de scène (Stanley Tucci) et l'hôte des soirées Alexis (Alan Cumming), Ali fait son chemin du bar à la scène. Elle relance alors le succès du Burlesque Lounge avec sa spectaculaire voix ! Arrive alors un entrepreneur du nom de Marcus Gerber (Eric Dane)…