Les médias américains ne parlent que du futur mariage entre Kat et Bastian, deux stars de la pop. Ces derniers ont écrit une chanson pour l’occasion : Marry Me. Père de famille célibataire, Charlie est professeur de maths. Il sent que sa fille Lou s’éloigne de lui. Il l’emmène alors au concert de Kat. Alors que Kat et Bastian s’apprêtent à se marier sur scène, une vidéo dévoile les infidélités du chanteur. Kat s’effondre au moment de monter sur scène. À la surprise générale, elle interpelle Charlie, qu’elle remarque par hasard, et l’épouse. Tout le monde est confus. Le lendemain, le manager de Kat demande à Charlie de jouer le jeu devant les médias. D’abord réticent, Charlie accepte. Il découvre l’univers de Kat, mais aussi la personne qu’elle est. Peu à peu, les faux amants se rapprochent. Kat apprécie la simplicité de Charlie. Pendant ce temps, Bastian tente de reconquérir Kat. Charlie raisonne cette dernière. Charlie et Kat entament une relation romantique. Kat aide Lou et son club de maths dans leur préparation pour un concours. Marry Me est nominée aux Grammy Awards. Kat doit en assurer la promotion aux côtés de Bastian. Craignant d’être quitté, Charlie rompt avec Kat. Chacun retrouve sa vie d’avant. Mais, lors d’un plateau télé, Kat se rend compte de son erreur. Elle part rejoindre Charlie et Lou, qui est en finale du concours. Cette dernière échoue. Charlie la console. Kat fait sa demande en mariage à Charlie. Celui-ci dit oui.