夜幕深沉，城市的霓虹驅散了黑夜的偽裝，卻驅不散街頭的喧囂。時鐘的指針漸漸靠近午夜十二點，舊港區大部分的店鋪都結束了營業，熙熙攘攘的人流也漸漸散去，而有一家店卻剛剛點亮門口的燈籠。
這是家奇怪的店。
推開門，有些老舊的裝修在昏黃的燈光下卻顯出幾分溫馨。店面不大，大堂中央用幾條木桌板凳圍成一個正方形，桌上簡單擺放著干凈的木筷和調料。店里有兩條奇怪的規矩：第一，它的菜單僅有大鍋菜，啤酒，白酒三樣，而且酒類限量，但要是客人有格外想吃的菜，要是老板會做也可以做。第二，它只在晚上十二點到早上七點營業。
所以，大家稱這是——深夜食堂。
圍桌中央，中年模樣的老板正忙碌地準備今天的食材。他約莫四十來歲，穿著藍色的寬袖衣袍，脖子上圍了一條雪白的毛巾，亂糟糟的頭發和胡子有些頹廢，左眼附近有一道半圓的疤，笑起來卻格外平易近人，手藝也很棒。也許正是因為這樣，這家店的生意，意外的還不錯。
咚咚咚，你看，客人來了，呵，又是那幾個。
阿忠是每天來得最早的客人，五十來歲，及肩的長發扎在腦后，斑白的絡腮胡子，個子高挑，他最大的興趣是到俱樂部看美女表演。
坐在阿忠旁邊的是郝建二人組——胖胖的是郝用，是一名設計工作人員，屬于一刻不得閑的現代人；梳中分的是孫建，保險業務員，每天的工作就只有客戶跟業務，忙得像一個停不下來的陀螺。兩個人在下班后，總是來點杯啤酒配炸雞，結束一天的疲勞。
緊跟著進來的是泡面三姐妹——穿黑色制服的長發美女是學霸蕓小姐；愛打扮的短發美眉是愛馬仕，人如其名，名牌的崇拜者；最后加入這個團體的是頭戴白花，身穿白色公主裙的伊麗莎白。三個人因為都喜歡吃泡面而結識，也是店里有名的剩女。
喜歡翹蘭花指的花襯衫男士是小壽叔，在附近經營了一家俱樂部，也算是小有成就。他每天都打扮的美美的，號稱是這個城市里最美的男人。每次來到食堂，他最愛點的是雞蛋卷。
最后一個來的是馬玲玲。她畫著濃妝，波浪卷長發，是一位性感火辣的美女，也是舊港區最有名的俱樂部歌舞秀的表演者。她常用最快的速度愛上一個男人，吃的食物也會隨著她愛上的男人而改變。
這些客人擁有不同的職業和經歷，彼此本應風馬牛不相及，卻因常來這家食堂成為了相熟的朋友，這也是一種緣分。
哦，還有兩位新朋友——穿黑西裝帶墨鏡的阿龍，和他黃頭發紅皮衣的小弟阿賢。阿龍是這附近非常有名的人物，但第一次來他可不是這么客氣，兇神惡煞的進來，不但嚇跑了客人，還點了一堆亂七八糟的菜找茬，當然，最后被老板用一份煎紅香腸配啤酒征服了。從那以后，他偶爾也會過來。
這天晚上，三姐妹正在吃泡面，伊麗莎白突然嘆起氣來。原來，最近她在公司員工食堂遇見了一個叫張軒的優秀男生，并對他一見鐘情，但今天她卻意外發現張軒和公司另一位女職員有曖昧，更要命的是這位女員工年紀輕身材好，自己各方面都沒有勝算，這讓她十分失落。
伊麗莎白渴望遇到一位紳士的男人，蕓小姐卻教導她要有自己的姿態，對于男人的討好一概置之不理。愛馬仕卻覺得伊麗莎白要主動制造機會，欲擒故縱，激起男人的征服欲。這矛盾的觀點讓伊麗莎白十分糾結，她決定都試一試。果真，當她假裝摔倒時，張軒主動扶了她，并約她去看電影。
令人驚喜的是，愛馬仕也收到了一個男網友的約會，兩個姐妹感情都有進展，唯獨女博士蕓小姐卻毫無進展，這讓她十分沮喪。同時，感情的分享也讓三姐妹的感情越來越好。
這一天，深夜食堂還沒開門，沒有去處的泡面三姐妹坐在河邊，一邊喝酒一邊訴苦。蕓小姐從小非常聽爸爸媽媽的話，沒有早戀，好好學習，一路讀到了博士，現在卻被人不停問為什么不結婚。她苦笑著說自己沒有學習過怎么談戀愛，也不會談戀愛。愛馬仕收入很高，長得漂亮，也非常時髦，但卻不知道為什么被剩下了。伊麗莎白說她才是最莫名其妙的，從小到大，只是想找個順眼的談戀愛，卻不停的被騙，因為別人都覺得她太蠢了。她問愛馬仕和蕓小姐，她是不是真的蠢，愛馬仕和蕓小姐笑而不語，這讓伊麗莎白十分抓狂。三個女生就這樣在河邊一邊喝酒，一邊痛哭，分享訴說著自己的孤獨和寂寞。
伊麗莎白將張軒帶到深夜食堂，說自己請客，并請求老板做最好吃的東西給張軒。她主動將愛馬仕和蕓小姐介紹給張軒，四人正準備玩游戲，愛馬仕接到約會電話，急急忙忙地離開了。過了一會兒，?伊麗莎白也被經理的電話叫走，無奈的她保證自己會馬上回來就匆匆離開了。被單獨留下的蕓小姐十分尷尬，她約張軒一起喝酒，一來二往，張軒提議兩人換個地方繼續喝。
這一天，愛馬仕和伊麗莎白一起蒸桑拿敷面膜，愛馬仕氣憤的說和自己約會的男網友是個騙子，說自己是個富二代，吃飯的時候居然要求AA。伊麗莎白傻笑說自己和別人吃飯都是主動要求買單，愛馬仕告誡她不要傻乎乎的，男人舍得給女人花錢才證明他想跟你繼續。愛馬仕一邊說一邊刷朋友圈，翻到蕓小姐最近發的一些很感性的朋友圈忍不住和伊麗莎白分享，猜測她是不是談戀愛了。伊麗莎白翻出自己的手機也準備看看，卻發現蕓小姐屏蔽了自己。
這天深夜食堂里，蕓小姐不停的發消息，愛馬仕猜測她是不是談戀愛了，問她朋友圈為什么要屏蔽伊麗莎白？蕓小姐說漏嘴她和張軒交往的事情，甚至兩人在酒后邁出了最后一步，這讓愛馬仕有些無法接受。蕓小姐辯解說張軒和伊麗莎白沒有確定關系，自己不是橫插一腳，而且愛情是不分先來后到，它是自私的。正在兩人爭吵時，伊麗莎白來了。毫不知情的她像平常一樣和兩人打招呼，蕓小姐不自然地轉移話題，愛馬仕則是在一旁出言諷刺，這讓伊麗莎白覺得今晚的氣氛十分不對勁。
幾天后，愛馬仕和張軒的公司一起合作廣告方案，主要由兩人負責。會議后，張軒主動夸贊愛馬仕說她很厲害，也很特別，和伊麗莎白和蕓小姐不一樣。心照不宣的愛馬仕故意說張軒這樣夸自己伊麗莎白會不高興，張軒卻說自己和伊麗莎白只是普通朋友。愛馬仕又問他和蕓小姐呢？張軒辯解說大家都是成年人，只是各取所需罷了。氣憤的愛馬仕拿起桌上的水潑到張軒臉上，轉身離開了。
這天晚上，伊麗莎白來到深夜食堂卻沒有像往常一樣做到兩姐妹的中間。一向不喝酒的她向老板要了一杯白酒，一口氣喝光，不停咳嗽起來。愛馬仕關心地問她怎么了？伊麗莎白質問蕓小姐為什么要這樣對自己。蕓小姐一臉無辜，伊麗莎白才說出她已經知道她和張軒好了。蕓小姐問愛馬仕，不是答應自己不告訴伊麗莎白的嗎？伊麗莎白這才知道，原來所有人都知道了，只有自己像個傻瓜一樣被瞞在鼓里。愛馬仕告訴爭吵的伊麗莎白和蕓小姐，張軒是個花心的渣男，但兩人都不信。伊麗莎白覺得自己被欺騙了，她說自己和兩人不是姐妹，也不會和她們這種老女人當姐妹，三人就這樣吵吵鬧鬧，不歡而散。
過了幾天，伊麗莎白來到深夜食堂。她吞吞吐吐地問老板另外兩個姐妹最近來了嗎？老板說很久沒來了。伊麗莎白滿懷期待地問他覺得她們還會來嗎？老板說應該還會。這不確定的語氣讓伊麗莎白立刻紅了眼睛。她哽咽著說其實她并不是因為張軒和兩姐妹吵架，而是不明白為什么她們要合伙騙她，從小她就沒什么朋友，而她把愛馬仕和蕓小姐真的當成好朋友，難道她們對自己的友誼是假的嗎？老板語重心長地說這可能只是善意的謊言。伊麗莎白說自己很期望再見到她們卻又怕見到她們，這讓她十分糾結。
又過了幾天，蕓小姐和愛馬仕先后腳到了深夜食堂，兩人卻各自坐在一角，氣氛十分尷尬。這時，伊麗莎白推門進來了，看見兩人在她轉身準備離開，卻被老板叫住了。老板說自己做了特別的泡面，伊麗莎白猶豫了一下，還是留下了。三個女孩子一起吃著老板特意送的老壇酸菜蟹面，愛馬仕告訴兩人，張軒已經結婚了，他傍了一個富婆。三人一起大罵張軒是渣男，泡面三姐妹終于冰釋前嫌。
一天清晨，老板準備關門，卻在店鋪外看見一個小女孩坐在臺階上靠著墻睡著了。老板叫醒小女孩問她為什么睡在這里，小女孩醒過來卻可憐兮兮的說自己餓了，想吃東西。老板將小女孩帶到店里，為她做她想要的魚松拌飯。兩人聊天中，老板得知女孩叫奇奇。奇奇吃完飯后問老板，自己能不能留下了，她可以幫忙洗碗掃地拖地，不要工錢，只要能吃魚松飯就可以了。不等老板回答，她就殷勤的跑去洗碗了。
狼吞虎咽的吃完魚松飯，奇奇窘迫的告訴老板自己的行禮丟了，身無分文的她為老板唱了一首輕快的《甜蜜蜜》作為回報。意外的是，扎著兩個亂糟糟的麻花辮，看起來臟兮兮的奇奇唱起歌來卻十分動聽，清脆的嗓音流露出少女的青澀和獨特的天賦。奇奇請求老板讓自己留下來幫忙，她不要工資，只要給她吃魚松飯就可以。老板還沒有反應過來，害怕被拒絕的奇奇就蹬蹬蹬跑去洗碗了。就這樣，這個不知道從哪冒出來的愛唱歌的小女孩，留在了深夜食堂。
出乎意料，洗漱干凈后，穿上白襯衣和牛仔褲的奇奇是一位嬌俏可人的少女，笑起來十分俏皮。奇奇說自己是一個人從鄉下跑出來到城里的，她稱贊老板是一個很有故事的人，老板卻說自己只是開了家小飯館，故事都是別人的。好心的老板將奇奇安頓在深夜食堂的樓上，叮囑她不要干擾到客人，就去樓下開店了。
凌晨四點多，馬玲玲正興沖沖地向小壽叔炫耀自己新交的男朋友，卻突然聽到樓上有動靜，小壽叔一聽可能有老鼠立馬驚慌起來，老板連忙解釋是前兩天有一只貓跑上去了。為了掩蓋聲音，老板打開了一旁收音機，悠揚的歌聲立刻充盈了整個店鋪，客人們才恢復了平靜，重新吃飯笑鬧起來。店鋪關門后，老板為睡醒的奇奇準備魚松飯當早飯，奇奇機靈的幫老板收拾，一邊哼起了昨晚在收音機里學會的歌曲，老板十分喜歡。
奇奇正要開飯，小壽叔卻突然從門口冒了出來，原來他昨晚對老板的解釋就心存懷疑，特意過來抓了個正著。老板無奈的將奇奇的事情告訴小壽叔，小壽叔夸贊奇奇十分機靈，尤其喜歡她的歌聲，邀請她晚上到俱樂部演唱。老板有些擔心奇奇年紀小不安全，小壽叔則告訴奇奇，如果有人問起，就說她爸爸和自己是朋友。
奇奇在俱樂部的表演十分成功，到了夜里，她又給深夜食堂的客人們表演唱歌，受到大家一致好評。當然，小壽叔向大家宣傳奇奇是自己一個來城市發展的侄女，自己準備安排她到俱樂部唱歌。奇奇感受到大家的認可十分觸動，她說，自己一直以來都夢想有一天能到很多人面前唱歌，泡面三姐妹追問她原因，她卻說好聽的歌曲會讓人開心，如果可以讓所有人都開心那就太棒了。這份赤子之心打動了深夜食堂所有人。
客人散去后，老板和奇奇坐在店門口的石凳上看星星。奇奇向老板描述自己的家鄉，有山有水還有魚。老板問齊齊想家了為什么不回去，奇奇卻堅持要完成自己的使命才能回家。奇奇告訴老板，當太陽升起的時候，有一顆星星會隨著太陽一起升起，卻只能亮幾分鐘，因為如果陽光太強烈，它就會被吞沒，她叫它艾兒本。
這一天，奇奇正等著老板給自己做魚松飯，馬玲玲卻突然打電話過來，說要給奇奇介紹一位做唱片的朋友，被譽為第二個周杰倫的制片人，小楊老師。小楊老師聽了奇奇的歌聲后被她打動，他說自己的腦海一直有一首歌曲卻找不到合適的人唱。他決定帶走奇奇，教會她真正的唱歌。奇奇終于離自己的使命又近了一步。
時光荏苒，不知不覺間，奇奇跟隨小楊老師學習唱歌已經快一個月了。老板時常想起奇奇，但她卻始終沒有回來，甚至連一個電話都沒有，這讓他十分擔心。他不知道的是，奇奇的音樂之路并不十分順利，她喜歡隨心所欲地唱歌，但小楊老師卻總是拿專業歌手的水平來要求她，這讓奇奇倍感壓力。這一天，奇奇終于回到了深夜食堂，她把自己的錄音放給客人們聽，大家都十分贊同，奇奇卻苦著臉說小楊老師還是不滿意。
小楊老師跟奇奇道歉，奇奇卻失落的說自己從來沒想到唱歌是一件這么復雜的事情。小楊老師教導齊齊，不管唱歌還是寫歌都不是一件容易的事情，他每天要花三個小時收集素材，花是一個小時編曲，寫詞，一年得創造一百首歌，卻只有三四首能收錄進專輯。天才的背后是比常人更加倍的努力。小楊老師表揚奇奇真的很有唱歌天賦，他說自己會幫助她成為最棒的歌手。
漸漸地，奇奇終于能夠達到小楊老師的要求，他決定把奇奇推到世界舞臺上，讓全世界都能聽到她唱歌。經過長時間的相處，兩人的關系也越來越近，這讓老板有些擔心。他問小楊老師和奇奇是什么關系，小楊老師卻笑而不語，只是讓他放心。
奇奇終于以艾兒本的藝名出道了，主打歌《小世界》一經推出就成為了熱門歌曲。奇奇也因此越來越忙，同時，身體和精神狀態日漸疲憊。老板只能通過奇奇的經紀人叮囑她要按時吃飯，有空回來看看。深夜食堂的客人們也紛紛購買奇奇的專輯為她捧場。
終于，這一天，奇奇從錄音室偷溜回來吃魚松飯，老板說奇奇看起來十分疲憊，正要給她做飯，卻發現她竟然咳血了。老板嚇壞了，問奇奇看醫生了嗎？奇奇卻說醫生只是說太累了。老板讓奇奇停錄休息，奇奇卻堅持要做到最好，完成小楊老師的愿望。