Deloris Van Cartier chante en trio avec ses amies Michelle et Tina sur la scène du Moonlight Casino de Reno, dont le patron, Vince LaRocca, est son amant. Mais celui-ci ne se résout pas à quitter son épouse Connie. En outre, Deloris le surprend un jour en train d’exécuter froidement un associé gênant. Comprenant que sa vie est en danger, elle se réfugie auprès du lieutenant de police Eddie Souther qui, en attendant qu’elle puisse témoigner au procès de Vince, décide de la mettre à l’abri derrière les murs du couvent Sainte Catherine. Deloris, ayant gardé un fort mauvais souvenir de son éducation dans un établissement religieux, proteste en vain. Elle se retrouve bientôt en habits de bonne soeur, sous la tutelle d’une mère supérieure totalement dénuée d’humour. Peu à peu, elle se fait à sa nouvelle vie et se lie d’amitié avec les pensionnaires du couvent, particulièrement la pétulante soeur Mary Patrick et la timide soeur Mary Robert. Trouvant le répertoire des religieuses passablement démodé, elle entreprend de le mettre au goût du jour en transformant en cantiques des succès populaires. Les jeunes du voisinage se mettent à fréquenter l’église Sainte Catherine, l’évêque s’enthousiasme et même la sévère mère supérieure se prend à apprécier les initiatives de Deloris. Une équipe de télévision vient filmer les soeurs allant à la rencontre des habitants du quartier. Vince, qui a reconnu Deloris parmi les religieuses, se met en chasse avec ses sbires, et la jeune femme ne devra la vie sauve qu’à l’intervention opportune du lieutenant Souther. Elle est prête, dès lors, pour l’apothéose de sa carrière : un dernier concert, devant le pape, en compagnie des pensionnaires du couvent.