Der geniale Künstler Cesar Catilina möchte die Stadt New Rome in eine utopische, idealistische Zukunft führen, während sein Gegenspieler, Bürgermeister Franklyn Cicero, an einem regressiven Status quo festhält und Gier, Sonderinteressen und parteipolitischen Krieg fortsetzt. Zwischen ihnen hin- und hergerissen ist die prominente Julia Cicero, die Tochter des Bürgermeisters, deren Liebe zu Cesar ihre Loyalitäten gespalten hat und sie dazu zwingt, herauszufinden, was ihrer Meinung nach die Menschheit wirklich verdient.

Der Spielfilm basiert auf Jerry Spinellis gleichnamigem Roman und folgt der Reise von Leo Borlock und wie er sich zu Susan 'Stargirl' Caraway hingezogen fühlt, der neuesten Teilnehmerin der Mica High School in Arizona. Er ist schüchtern, bescheiden und zurückgezogen. Mit der Zeit entwickelt er Gefühle für Stargirl, die er nicht zugeben will, und das macht es für die beiden schwierig, zu einem Paar zu werden. Aber Stargirl greift seine subtilen Hinweise auf und fragt ihn eines Tages, ob er sie etwas fragen möchte. Zu diesem Zeitpunkt begann ihre epische Freundschaft und Leo begann sein eigenes wahres Potenzial zu erkennen und dass er besser ist als das, wofür er sich selbst auszeichnet. 

Weil ihre Mutter Ana (Judy Greer) als Kostümbildnerin für einen Film angestellt wird, ziehen sie und Stargirl Caraway (Grace VanderWaal) nach L.A., wo Stargirl schnell mit einer Reihe von Charakteren in Kontakt kommt. Dazu gehören die aufstrebenden Filmemacher-Brüder Evan (Elijah Richardson) und Terrell (Tyrel Jackson Williams), Mr. Mitchell (Judd Hirsch), einer von Stargirls Nachbarn, und Roxanne Martel (Uma Thurman), eine Musikerin, die Stargirl bewundert und der sie auf ihrer Reise begegnet.