Film Sing berlatar di Calatonia, sebuah kota yang dihuni hewan-hewan antropomorfik. Buster Moon, seekor koala yang penuh mimpi, memiliki gedung teater yang nyaris bangkrut dan terancam disita bank oleh perwakilannya, Judith si llama.

Demi menyelamatkan teater, Buster menggelar kompetisi menyanyi dengan hadiah USD 1.000 (sekitar Rp16,7 juta). Namun, kesalahan ketik yang dilakukan asistennya yang sudah lanjut usia, Miss Crawly si iguana, menambahkan dua nol ekstra sehingga hadiah berubah menjadi USD 100 ribu (sekitar Rp1,6 miliar). Poster yang salah cetak itu keburu tersebar ke seluruh kota, memicu antusiasme besar.

Audisi pun diserbu banyak peserta, dan Buster memilih finalisnya: Rosita, ibu rumah tangga dengan 25 anak babi, Ash, landak punk-rock penuh ambisi, Johnny, gorila remaja putra bos geng kriminal Big Daddy, Mike, tikus musisi jalanan yang percaya diri berlebihan, serta Gunter, babi penari yang enerjik. Di sisi lain, Meena si gajah remaja gagal audisi karena demam panggung.

Pacar Ash yang narsis, Lance, tersingkir dan kesal, sementara Rosita dipasangkan dengan Gunter untuk nomor tari. Saat menyadari besarnya hadiah di poster, Buster menemui Nana Noodleman, mantan bintang teater legendaris sekaligus nenek Eddie, yang ragu menjadi sponsor, namun setuju menonton pratinjau privat sebelum memutuskan.

Tekanan demi tekanan menghantam para peserta. Meena akhirnya membantu sebagai kru panggung sebelum diberi kesempatan tampil, meski rasa takutnya belum sepenuhnya hilang.

Rosita kehilangan kepercayaan diri karena rutinitas sebagai ibu, Mike gegabah meminjam uang besar demi gaya hidup mewah dan terjerat masalah, Ash patah hati setelah dikhianati Lance, dan Johnny terjebak konflik berat dengan ayahnya saat memilih latihan ketimbang aksi kriminal, yang berujung penangkapan sang ayah dan gengnya.

Ketika kecelakaan merusak lampu panggung, Buster membangun ulang panggung secara nekat dengan konsep unik, menegaskan bahwa keberanian dan mimpi besar bisa mengubah nasib banyak orang.