Alors qu'il se rend, maussade, à l'atelier de peintures publicitaires où il travaille, Sonny Malone est embrassé par une jeune fille, Kira, circulant sur des patins à roulettes. Sonny, qui a essayé en vain d'entamer la conversation avec l'inconnue, la retrouve curieusement sur le modèle qu'il doit reproduire. A quelque temps de là, Sonny fait la connaissance de Danny McGuire, ex-musicien du grand orchestre de Glenn Miller. Danny se souvient de la chanteuse de la formation, dont il était passionnément épris et qui a disparu un beau matin. A la recherche de Kira, Sonny pénètre dans un vieil auditorium désaffecté. Kira lui apparaît alors et Sonny lui fait part de ses rêves et de ses aspirations. Touchée par la sincérité de ce garçon, Kira l'incite à moderniser l'établissement où ils se trouvent pour en faire, avec l'aide de Danny, un paradis de la musique et de la danse. Sonny et Danny s'associent bientôt et les travaux commencent. Aux termes de ceux-ci, Kira, bien qu'amoureuse de Sonny, doit regagner le monde des muses. Au désespoir, Sonny se lance à sa recherche, découvre l'univers où elle vit avec ses soeurs et implore finalement Zeus de lui permettre de vivre avec celle qu'il aime. Au soir de l'ouverture du « Xanadu », alors que Sonny se morfond, Kira apparaît enfin, chantant et dansant au milieu des invités.