En 1964, à Erie (Pennsylvanie), Guy Patterson travaille le jour dans le magasin d’électroménager de son père et, le soir, s’entraîne à la batterie en écoutant les disques de son idole, le pianiste de jazz Del Paxton.
Un matin, Jimmy Mattingly, chanteur et leader d’une petite formation de rock, les Oneders, le contacte pour remplacer leur batteur, immobilisé à la suite d’un accident. Lors de la fête du collège, Guy a l’idée d’accélérer le tempo d’une chanson composée par Jimmy, “That Thing You Do !”, qui remporte d’emblée un succès foudroyant et leur vaut un engagement régulier dans une pizzeria du quartier...