L'été 1964. Dans une petite ville de Pennsylvanie, Guy Patterson vend des appareils électroménagers avec son père le jour, et se déchaîne sur sa batterie la nuit. Un groupe local lui demande de remplacer le batteur défaillant à la fête du collège, et c'est le triomphe : la chanson "That thing you do", composée par Jimmy, le leader du groupe, est rapidement remarquée par un manager local, puis par le talent scout de la maison de disques Play-Tone, Mr. White. Le groupe, baptisé les Wonders, et accompagné de Faye, petite amie dévouée de Jimmy et costumière du groupe, part pour une tournée qui propulse leur quarante-cinq tours au sommet du hit-parade. Mais les relations se dégradent entre les cinq amis : Jimmy néglige et repousse Faye, les autres musiciens s'absentent ou s'égarent. Guy est le seul à se montrer professionnel, mais il ne peut plus réunir le groupe; il lui reste Faye, dont il se découvre amoureux, et le jazz, sa première passion, dans lequel un musicien légendaire lui donne sa chance. Mr White, philosophe, ne s'étonne pas que les Wonders n'aient, comme beaucoup d'autres, chanté qu'un seul été.