Pineview, California. Jerrica Benton è una diciottenne orfana, timida e introversa, che vive da dieci anni con sua sorella Kimber a casa di zia Bailey, che aveva già in affidamento Aja e Shana. Le ragazze hanno un equilibrio familiare tutto loro e appianano gli screzi intonando melodie a quattro voci. La passione per la musica le accomuna, ma, mentre Kimber è sempre pronta a girare con Aja e Shana video scoppiettanti da condividere online ("Hit Me Up"), Jerrica preferisce comporre ed esibirsi nel privato della sua stanza. Lì può vederla solo Synergy, un robottino che suo padre Emmett stava costruendo prima di morire. La chiamava "la sua invenzione migliore", ma non era riuscito a terminarla. ​

  Dopo aver scoperto che zia Bailey sta per perdere la casa e l'affidamento delle sorelle, Jerrica si chiude in camera e rilegge l'iscrizione sull'involucro di Synergy: "Non temere l'ignoto". Poi dà sfogo ai suoi sentimenti: indossa un paio di orecchini, dono di suo padre e si riprende in un video, camuffata con trucco e parrucca rosa. Si presenta come "Jem", un nomignolo con cui la chiamava suo padre ("Alone Together"). 

 Il video finisce nelle mani di Kimber, che lo pubblica su YouTube, dando inconsapevolmente inizio a un fenomeno mondiale. Il video di Jem è cliccatissimo e cattura l'attenzione di Erica Raymond, fondatrice dell'impero discografico Stralight Entertainment. Erica offre a Jem un contratto per tre concerti, ma Jerrica è molto titubante perché, in fondo, Jem non esiste. Zia Bailey la convince ad accettare, non tanto per salvare la casa, ma per non rinnegare l'indole sognatrice di suo padre e non dover rimpiangere, un domani, un'occasione sprecata. Jerrica, però, con un inaspettato piglio da donna d'affari consumata, impone a Erica di scritturare anche le sue sorelle: prendere o lasciare.

 Erica preleva le ragazze personalmente a Pineview e le porta a Los Angeles. Tra gli uffici della Starlight Enterprises e le sale della Astral Recordings, le ragazze subiscono un cambio di look e cominciano subito le prove musicali. Conoscono anche Rio, stagista alla Starlight, che si occuperà di loro. Erica consiglia a Jerrica di togliersi quegli orecchini "tanto passata stagione" e li conserva prontamente nella sua cassaforte. Rio accompagna poi le ragazze a Villa Starlight, dove alloggeranno.

  Quella sera stessa, Synergy, che Jerrica aveva portato con sé, si riattiva misteriosamente e, con un fischio di Jerrica, proietta delle coordinate tridimensionali corrispondenti al molo di Santa Monica. Proietta anche immagini di Jerrica bambina su quel molo con suo padre. Le ragazze, incuranti del coprifuoco imposto da Rio, prendono la sua auto di nascosto e si recano al molo, convinte di trovare un messaggio di Emmett.

  Seguendo Synergy, trovano quello che sembra un pezzo mancante del robot, su cui è inciso un altro messaggio: "Crea il tuo destino". Quando Jerrica aggiunge il pezzo mancante a Synergy, una nuova proiezione indica le coordinate dell'Open Air Club, un locale storico di cui parlava sempre Emmett, e delle immagini di Jerrica che impara a suonare la chitarra di suo padre. Rio, a dir poco seccato, raggiunge le ragazze sul molo appena in tempo per scappare con loro dagli agenti di sorveglianza, tuffandosi nell'Oceano. Giunti tutti a riva, le ragazze placano il loro manager-custode raccontandogli di Synergy. Rio, a sua volta, confessa di essere il figlio di Erica e di avere altri progetti per la Starlight: fare la differenza nel mondo della discografia, promuovendo artisti di talento e non le "divette pop" che insegue sua madre. Le quattro sorelle improvvisano con lui un brano a cappella che li rende finalmente complici ("We Got Heart") e fa capire a Rio che forse questa volta sua madre ci ha visto giusto

​ Il giovane si impegna così a far debuttare le ragazze proprio all'Open Air Club. Il concerto è un successo ("Youngblood") e Jerrica scorge, su una parete di chitarre, quella di suo padre. Al suo interno, trova un altro pezzo del puzzle, con un'altra iscrizione: "Usa i tuoi doni". Questa volta, però, Synergy non proietta alcun indizio.

Mentre Jem, che Erica vuole mantenere nel mistero più assoluto, è sempre più famosa, Jerrica sembra perdere fiducia in sé stessa, ma Rio le ricorda che il glamour e il fascino di Jem sono nulla senza l'animo di Jerrica. Erica si accorge che suo figlio si sta legando troppo alla ragazza e gli affida un altro artista, intimandogli di stare lontano da Jerrica.

 Intanto, a Pineview, la situazione economica si aggrava per zia Bailey: in meno di una settimana, perderà la casa. Mentre Kimber, Aja e Shana, ignare di tutto, si godono la piscina di Villa Starlight ("Movie Star"), Jerrica chiede un anticipo a Erica, che accetta solo a condizione che la ragazza firmi un contratto da solista. Jerrica non ha scelta. In camerino, poco prima del secondo concerto, Shana, Aja e Kimber ascoltano una conversazione tra Erica e Jerrica, si sentono tradite e decidono di non andare in scena. Mentre Jerrica ha il cuore a pezzi, Jem si esibisce da sola ("The Way I Was").

 Tempo dopo, Jerrica torna davanti alla casa dove era cresciuta. Lì la raggiungono le sue sorelle, che, nonostante tutto, decidono di restarle accanto. Quelle quattro mura sono ora abitate da nuove persone, nuove vite, nuove storie; la vera casa è la famiglia e questa volta nessuno potrà abbatterla. Jerrica nota una vecchia incisone in una lastra di cemento: la sua firma, uno scarabocchio della piccola Kimber e il suo simbolo, una stella a quattro punte. È la stessa forma che hanno gli orecchini che le aveva regalato suo padre e lei capisce finalmente il significato dell'indizio "Usa i tuoi doni": gli orecchini potrebbero essere il pezzo mancante di Synergy! Ma si trovano in una cassaforte, alla Starlight.
 Mentre Kimber, Aja e Shana, travestite da fan di Jem, distraggono le guardie, Rio e Jerrica entrano di nascosto alla Starlight e accedono alla cassaforte di Erica. Oltre agli orecchini, Rio trova il testamento di suo padre. 

 Tornata a Villa Starlight, Jerrica unisce i due orecchini e li inserisce in una fessura di Synergy. Le appare davanti un ologramma di suo padre, con un ultimo messaggio: "Sii la migliore versione di te stessa che puoi". Qualunque percorso lei faccia, qualunque sentiero scelga, Emmett sa che Jerrica saprà usare i suoi doni per toccare gli animi di chi le sarà intorno e per ispirare gli altri. Soprattutto, non dovrà mai sottovalutare il valore della famiglia.

Incoraggiata anche dagli innumerevoli messaggi dei suoi fan, Jerrica trascina le sue sorelle al terzo concerto di Jem. Stavolta Erica non può opporsi perché Rio, impugnato il testamento di suo padre, si rende conto di poter prendere il controllo della Starlight e estromette sua madre.

 Prima del concerto, Jem cerca di diffondere al pubblico il messaggio di suo padre: tutti si chiedono chi sia Jem, ma Jem è chiunque abbia qualcosa di importante da esprimere, un sogno impossibile da realizzare. Poi partono le note di "I'm Still Here" e il pubblico è in delirio. Lindsdey Pierce, editrice del Rolling Stone, avvicina Rio dicendogli di volere le ragazze in copertina e gli chiede se hanno già un nome per la band. Rio scorge Synergy dietro le quinte, che proietta per gioco dei proto-ologrammi; non ha dubbi: le ragazze saranno Jem e le Holograms.

 Erica torna con la coda tra le gambe da una band femminile che aveva scaricato anni prima. Roxy, Stormer e Jetta non sono affatto felici di rivederla. Ma quando Pizazz, la leader del gruppo, sente che Rio è innamorato di Jem, abbraccia appassionatamente il progetto di Erica: distruggere Jem. Le ragazze invitano Erica a seguirle nel loro camper-sala prove, sulla cui fiancata un graffito rivela il nome della band: le Misfits! 

Ecco le differenze principali rispetto alla serie animata:

• Jerrica non usa gli orecchini per trasformarsi in Jem.
• Gli ologrammi di Synergy non sono ancora molto realistici, ma sembrano ancora in fase sperimentale. La proiezione più sofisticata, l'ologramma di Emmett, può solo avvenire quando gli orecchini sono inseriti all'interno del robot.
• La signora Bailey, governante di Villa Starlight, diventa zia Bailey.
• Eric Raymond diventa Erica Raymond.
• Rio Pacheco diventa Rio Raymond, il figlio di Erica.
• Zipper non è un pericolosissimo criminale, ma un simpatico assistente-guardia del corpo di Erica, che, alla fine, si schiera dalla parte di Rio.
• Jerrica non deve occuparsi delle 13 orfane della Starlight House.
• Nel cartone, Jerrica, Aja e Shana hanno una ventina d'anni e Kimber 18. Nel film, Jerrica ha 18 anni, Kimber tra i 15 e i 16 e Aja e Shana sui 17. (Fonte: casting call)
• Emmett è un inventore, ma non un discografico e sembra non avere nessun legame con la Starlight (anche se il logo della Starlight è una stella a quattro punte, come gli orecchini di Jerrica, che Erica sequestra senza un apparente motivo).
• Lindsey Pierce non è una VJ, ma l'editrice della rivista di musica Rolling Stone.
• Jetta, come nel fumetto del 2015, è presente già nella prima formazione delle Misfits, ma non è né britannica, né di colore, bensì ispanica.
• Nei titoli di coda, Pizzazz diventa Pizazz.

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Easter-Eggs:

• Quando Jerrica si traveste per il video-clip, Kimber la definisce "Outrageous!" ("Troppo scioccante!"). "Truly Outrageous!" era il sottotitolo del cartone e della linea di bambole, nonché espressione ricorrente di Kimber. Il tormentone era stato completamente ignorato nell'adattamento italiano del cartone. In seguito, Rio definisce "scioccante" lo stile di Jem. Nell'ultimo concerto, tra i cartelloni dei fan, si legge "Jem is Truly Outrageous!"
• Tra i file sul computer di Kimber, ci sono gli mp3 di due canzoni del cartone: "Like a Dream" e "Always In My Heart", canzone scritta da Kimber in ricordo di suo padre.
• Jerrica ha come sfondo del desktop il fondale che si vede nel cartone animato durante il video musicale "Click / Clash".
• Il primo video di Jem "Alone Toghether" è caricato su YouTube col titolo "Friend or Stranger", una delle canzoni del cartone.
• Tra i primi commenti al video di Jem, spiccano quelli di Anthony Julian e Video Montgomery, che nel cartone erano un regista (e ragazzo di Shana) e una documentarista.
• Rio chiama le ragazze "Capelli Rosa e le sue canterine". È una citazione di una battuta di Pizzazz nell'episodio 11 "Vacanza in montagna".
• Arrivati a Villa Starlight, Rio dice: "Chiamatemi solo in caso d'incendio". Potrebbe essere un riferimento alla Starlight House del cartone, a cui Zipper dà fuoco.
• Nell'interfaccia di 51N3RG.Y, si scorge il simbolo che ha sul petto la Synergy del cartone.
• Rio cita la sigla del cartone: "Jem is glamour and glitter, fashion and fame". Nella versione italiana, è stata citata la sigla italiana ("Jem è bella e stravagante, ha fascino, fama").
• Pizazz cita i versi delle Misfits dalla sigla del cartone: "Our songs are better. We're gonna get her".
• Il cameo di Samantha Newark, doppiatrice originale di Jem nella serie animata, è stato doppiato nell'edizione italiana da Donatella Fanfani, voce storica di Jem.