Deloris Van Cartier (Whoopi Goldberg), une chanteuse de boîte de nuit, est témoin du meurtre d'un employé par son petit ami Vince Larocco qui s'avère être un chef de gang. Elle va voir la police avec son histoire. Omdat Vince voulant désormais à coup sûr l'éliminer, la police décide de cacher Deloris dans un couvent pour sa propre sécurité jusqu'à l'audience.
Deloris est accueillie au couvent sous le nom de nonne Zuster Mary Clarence. Seule la mère supérieure sait qu'elle n'est pas une vraie nonne. Elle ne se sent pas vraiment chez elle dans ce couvent calme et ennuyeux, mais elle se fait rapidement des amies. Après s'être éclipsée avec deux autres sœurs pour aller dans un bar, elle est mise au chœur par la mère supérieure en guise de punition. N'ayant pas d'autre choix, elle décide de pimenter un peu les choses au couvent et d'utiliser son talent vocal pour apprendre aux nonnes (qui chantent particulièrement faux) à chanter, et par la même occasion rendre l'église attenante au couvent un peu plus accueillante pour le public.
À la messe suivante, tout le monde est surpris par un groupe de sœurs swinguant. Grâce à son bon travail, Deloris passe même à la télévision. Pendant ce temps, un policier corrompu découvre qu'un don important de la police a été fait au couvent, ce qui permet aux gangsters de savoir qu'elle s'y trouve et pousse le vieil ami gangster de Deloris à venir lui rendre visite. Deloris est enlevée. La mère supérieure révèle aux autres nonnes la véritable identité de Deloris, et toutes les nonnes se lancent à sa poursuite pour essayer de la sauver. Pendant ce temps, Vince ordonne à ses hommes de main de tuer Deloris, mais pensant qu'elle est désormais une vraie nonne, ils n'osent pas le faire et Deloris parvient à s'échapper. Avec l'aide des nonnes, les méchants peuvent finalement être arrêtés.