En el Día V-J de 1945, se lleva a cabo una celebración masiva en un club nocturno de Nueva York, con música de la Orquesta de Tommy Dorsey. Allí, el saxofonista Jimmy Doyle (De Niro), egoísta y de buen hablar, conoce a la cantante de poca monta de la USO Francine Evans (Minnelli), que, aunque se siente sola, no quiere saber nada de Jimmy, que no deja de molestarla para que le dé su número de teléfono.

A la mañana siguiente, acaban compartiendo taxi y, en contra de su voluntad, Francine acompaña a Jimmy a una audición. Allí tiene una discusión con el dueño del club. Francine, para encarrilar la audición, comienza a cantar el viejo estándar "You Brought a New Kind of Love to Me"; Jimmy se une con su saxo. El dueño del club queda impresionado y, para asombro de Francine, les ofrecen un trabajo a los dos como grupo itinerante de chicos y chicas. A partir de ese momento, la relación de Jimmy y Francine se convierte en una mezcla de obsesión y amor. Pero hay problemas, principalmente la tendencia de Jimmy a pelearse con sus compañeros de trabajo, su comportamiento excesivamente dramático y sus discusiones cada vez más violentas con Francine, que se queda embarazada de él. Una discusión especialmente fuerte entre ellos hace que Francine se ponga de parto. Jimmy la lleva rápidamente al hospital, donde da a luz a un niño. Pero Jimmy no está preparado para ser un padre, ni un buen marido, y abandona a su mujer, negándose incluso a ver a su hijo recién nacido al salir del hospital.

Varios años después, en un estudio de grabación, Francine graba "But the World Goes Round", un poderoso himno que entra en las listas de éxitos y la convierte en una popular figura del espectáculo. En los años siguientes, Jimmy y Francine encuentran el éxito en la industria musical; él se convierte en un renombrado músico de jazz y propietario de un club, mientras que ella se convierte en una exitosa cantante y actriz de cine.

Jimmy graba una canción suya con su saxofón que encabeza las listas de éxitos de jazz, y Francine consolida su estrellato tras cantar esa misma canción, "New York, New York", a la que ha puesto letra. Su actuación, recibida por un público muy agradecido, tiene lugar en el mismo club nocturno donde, años antes, ella y Jimmy se habían conocido. Después del espectáculo, Jimmy llama por teléfono a su ex mujer y le propone que se reúnan para cenar. Francine se siente tentada, se dirige hacia la salida del escenario, pero en el último momento cambia de opinión. Jimmy, que le espera en la acera, se da cuenta de que le han dado plantón y se va por la calle, acompañado de la canción que ha escrito: el "Tema de Nueva York, Nueva York".