El niño Miguel Rivera sueña con convertirse en un cantante famoso como su ídolo Ernesto de la Cruz, quien alcanzó la fama gracias a su tema "Recuérdame". Pero Miguel tiene un impedimento. Para los Rivera, la música está prohibida desde que su tatarabuelo abandonó a su tatarabuela Mamá Imelda y a su hija Coco, aún viva, para alcanzar la fama como músico profesional.
Por ser Día de Muertos, la familia de Miguel ha preparado el altar festivo. De acuerdo con la tradición, este se adorna con las fotos de los antepasados y ofrendas, pues su existencia en el más allá depende de mantener el recuerdo presente.
Un perrito callejero que siempre acompaña a Miguel, llamado Dante, derriba el portarretrato que está en el altar con la foto de Mamá Imelda y Coco, quienes aparecen acompañadas del tatarabuelo músico, cuyo rostro ha sido arrancado.
Al coger el retrato del piso, Miguel nota que la foto está doblada y, al desplegarla, descubre que su tatarabuelo portaba la misma guitarra de Ernesto de la Cruz, por lo que concluye que es tataranieto del famoso cantante.
Envalentonado, el niño desafía a su familia y decide presentarse en un concurso de canto el Día de Muertos, pero su abuela Elena destruye su guitarra. Entonces, Miguel huye y roba la guitarra expuesta en el mausoleo de Ernesto de la Cruz para actuar en el concurso. Pero, al tocar sus cuerdas, un hechizo misterioso lo traslada al mundo de los muertos junto a su fiel amigo Dante.
Para Miguel, la única forma de volver al mundo de los vivos es tener la bendición de uno de sus antepasados, so pena de morir al amanecer. Miguel los encuentra y y espera recibirla, pero Mamá Imelda le exige renunciar a la música como condición.
Convencido de que su tatarabuelo lo entenderá, Miguel huye para pedir la bendición de Ernesto de la Cruz. Dante lo guía hasta Héctor, un difunto que nunca ha sido honrado en el altar de las ofrendas, lo que lo expone a desaparecer definitivamente.
Ya que Héctor conoce a De la Cruz y cree que es el único antepasado de Miguel, le propone ayudarle a cambio de que ponga su foto en el altar cuando regrese. Juntos emprenden el camino acompañados por Dante, a quien todos los muertos confunden con un alebrije, un animal mágico que actúa como guía espiritual.
Mientras tanto, Mamá Imelda y el clan buscan a Miguel con la ayuda del alebrijede la familia. Cuando Héctor descubre que Miguel tiene más familiares, lo toma por mentiroso. Indignado, Miguel le devuelve su foto y se las ingenia para encontrar solo a Ernesto de la Cruz.
Finalmente, Miguel encuentra al cantante, y cuando éste está a punto de bendecirlo, aparece Héctor para suplicarle que cumpla su promesa. De la Cruz reconoce a Héctor, el verdadero compositor de todos sus temas.
Una discusión entre ambos pone en evidencia que el cantante lo había asesinado con el fin de robarse sus canciones, luego de que Héctor renunciara para volver con su familia.
Preocupado por su reputación, De la Cruz roba la foto de Héctor e intenta eliminar a ambos, arrojándolos en un cenote (lago subterráneo) del que no pueden salir.
Derrotados, Héctor y Miguel conversan. El músico le cuenta de su hija, Coco, a quien le compuso el tema "Recuérdame". Así, Miguel comprende finalmente que su verdadero tatarabuelo es Héctor.
Dante los encuentra y trae la ayuda del alebrije de Mamá Imelda. Contento, Miguel toma conciencia de que Dante es un verdadero alebrije.
Héctor e Imelda se reencuentran y, aunque esta no lo perdona, decide salvarlo. Para ello, deben recuperar la foto, aunque no lo logran, Ernesto de la Cruz es desenmascarado en público.
Después de esto, Mamá Imelda le da su bendición a Miguel sin condiciones. El único problema es que Héctor comienza a desaparecer, debido a que Coco, ya senil, está perdiendo la memoria.
Al volver al mundo de los vivos, Miguel le canta "Recuérdame" a Coco para ayudarla a recuperar la memoria. No solo recuerda a su padre, sino que recupera la conciencia de su entorno familiar, especialmente de su hija, Elena, la abuela de Miguel, a quien ya no podía reconocer.
Coco confiesa que guardaba las cartas de su padre con las letras de todas sus canciones, así como el pedazo de la foto familiar que faltaba. Ahora, por primera vez, Héctor estaría en el altar de la familia y se convertiría en un ídolo póstumo en la ciudad de Santa Cecilia. Y Miguel, finalmente, pudo ser el músico que soñaba gracias a la redención de su tatarabuelo.