1938年，在瑞士苏黎世，青年作曲家、犹太人罗伯特与德国歌女维莉正热恋。罗伯特的父亲门得松领导着一个帮助犹太人逃离德国的秘密组织，他担心儿子与维莉的关系会给秘密小组带来风险，于是设下计谋。当罗伯特前往德国执行任务时，准许维莉同行。返回瑞士时，边防拒绝维莉入境。留在德国的维莉只能靠唱歌谋生。她演唱的《莉莉·玛莲》引起德军将士的强烈共鸣，在军中广泛传播。无论是战火纷飞的战场，还是相对安静的哨厅、军营，军官和士兵们都沉浸在歌声里，或许是战争的残酷与喧嚣，这首歌传递出人们长久以来渴望的和平与温馨。在德军高官甚至上流社会的有意推动下，这首歌一举成名，维莉也成为备受瞩目的明星。 罗伯特在瑞士日夜思念着维莉，通过广播听到了她的歌声后，便冒险来到德国。维莉向他吐露心声，两人情意绵绵，却没意识到已身处危险之中。在盖世太保的监视下，罗伯特在离开德国前被捕。为营救罗伯特，维莉接受了地下组织的任务，冒着生命危险找到了揭露德军集中营屠杀战俘的胶卷。在德、瑞边境交界处，她用胶卷换回了罗伯特和其他难友，自己却遭到监禁。罗伯特得知维莉为救他冒死寻来胶卷，便按照组织安排冲进电台，向德国士兵广播，告知他们唱《莉莉·玛莲》的维莉在集中营被害。德军将士对维莉的歌依旧怀念不已，最终维莉离开集中营，再次登上舞台。 战争结束后，维莉风尘仆仆地前往瑞士寻找罗伯特，却发现他已成为一位卓有成就的音乐家，身边还有了妻子米里安。维莉竭力抑制内心的悲伤，黯然离去。