Film musikal remaja Jem and the Holograms mengikuti kisah perjalanan seorang gadis pemalu yang tiba-tiba menjadi sensasi internet. Jerrica Benton tinggal bersama adiknya, Kimber, serta bibi mereka Bailey dan dua saudari angkat mereka, Aja dan Shana.

Keempat gadis itu sering merekam diri mereka bermain musik sambil mengenakan pakaian berwarna-warni. Namun Jerrica yang pemalu selalu menolak direkam saat bernyanyi. Suatu hari Jerrica mengetahui bahwa rumah mereka terancam dilelang karena masalah keuangan yang dialami Bibi Bailey.

Frustrasi dengan keadaan tersebut, Jerrica mengenakan wig dan riasan wajah, lalu merekam video dirinya menyanyikan lagu yang ia tulis sendiri. Saat Jerrica hendak menghapus video itu, ia teralihkan dan Kimber diam-diam mengunggahnya ke YouTube. Tanpa diduga, video tersebut langsung viral dan ditonton jutaan orang hanya dalam satu hari.

Kesuksesan itu membuat Jerrica ditawari kontrak rekaman oleh perusahaan Starlight Productions. Ia pun berangkat ke Los Angeles bersama saudara-saudaranya. Di sana mereka bertemu produser musik Erica Raymond dan putranya, Rio.

Erica terlihat ramah kepada keempat gadis tersebut, tetapi ia sangat tertarik pada Jerrica yang dianggapnya memiliki potensi menjadi superstar. Setelah menetap di Los Angeles, mereka mulai merencanakan langkah berikutnya dalam karier musik mereka.

Para gadis juga membawa robot kecil bernama 51N3RG.Y (dibaca 'Synergy'), ciptaan ayah Jerrica yang telah meninggal, Emmett. Secara tiba-tiba robot itu aktif dan membawa mereka pada sebuah perburuan petunjuk.

Setiap petunjuk berkaitan dengan kenangan atau impian yang pernah dimiliki Jerrica bersama ayahnya. Tujuan mereka adalah menemukan beberapa bagian yang hilang untuk dipasang ke robot tersebut agar bisa berfungsi sepenuhnya.

Petunjuk pertama membawa mereka ke Santa Monica Pier. Sementara petunjuk kedua ditemukan di sebuah gitar yang dulu dimiliki Emmett, ketika secara kebetulan band mereka tampil langsung di atas panggung.