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Nella cittadina messicana di Santa Cecilia vive Miguel Rivera, un bambino dodicenne che sogna di diventare un musicista come il suo idolo Ernesto de la Cruz. Tuttavia, la famiglia di Miguel (soprattutto la nonna) è contraria a qualsiasi cosa che riguarda la musica, sin da quando sua nonna Imelda (trisavola di Miguel) venne abbandonata con la figlia Coco dal marito musicista; perciò Miguel è "destinato" a proseguire la ditta di calzature di famiglia. L'unico famigliare con cui Miguel si trova d'accordo, e che condivide la sua passione, è proprio la bisnonna, Coco.


Durante la celebrazione del Día de Muertos, dopo aver accidentalmente rotto il ritratto della trisavola Imelda e del marito (il cui volto è stato strappato), Miguel nota un risvolto nella foto che raffigura la famosa chitarra di Ernesto, convincendosi di essere il suo pro-pronipote. Il ragazzo intende partecipare a una gara di musica alla fiera di Santa Cecilia usando la chitarra che aveva sempre nascosto alla sua famiglia, alla quale il ragazzo stesso decide di suonarla per darle una dimostrazione, ma la nonna, infuriata, prima che possa iniziare, la prende e la distrugge di fronte a tutta la famiglia. Profondamente ferito, Miguel urla alla sua famiglia di non volerla più e, scappando da essa con le lacrime agli occhi, si intrufola nel mausoleo di Ernesto de la Cruz per procurarsi la sua chitarra. Appena la suona, viene misteriosamente trasportato in una dimensione alternativa in cui non può essere visto né ascoltato dai vivi, con l'eccezione di un cane xoloitzcuintle randagio, il suo amico Dante.

Nel cimitero, Miguel incontra i suoi parenti defunti, sorpresi dal fatto che il bambino li possa vedere. La famiglia crede che ciò sia collegato al fatto che Imelda non sia in grado di oltrepassare il ponte di fiori che collega la Terra dell'Aldilà con il mondo dei vivi; infatti, la causa è l'assenza del ritratto di Imelda, rotto dal bambino, dall'ofrenda (offerta in italiano) di famiglia. Un impiegato spiega che Miguel è maledetto per aver sottratto un oggetto a un morto e che, se non ritorna nel mondo dei vivi entro l'alba, rimarrà per sempre in quel luogo. Miguel, che comincia a trasformarsi lentamente in uno scheletro, può in realtà tornare immediatamente a casa grazie alla benedizione di un membro della famiglia, tramite un petalo di calendula; Imelda si offre di dargli la benedizione, ma alla condizione che non suoni più per tutta la vita. Miguel rifiuta, dandosela a gambe.

Durante la fuga si imbatte in uno spirito, Héctor, il quale accetta di aiutarlo a rintracciare Ernesto de la Cruz in cambio della promessa di inserire la sua foto nell'ofrenda di famiglia, per non essere dimenticato e poter passare al mondo dei vivi. Héctor consegna a Miguel la chitarra di un suo amico, Chicharrón, che poco dopo si dissolve in polvere dorata perché nessuno, nel mondo dei vivi, lo ricorda più, spiegando che è una cosa che prima o poi succede a tutti nel mondo dei morti, ma in realtà essi vanno tutti in un altro luogo sconosciuto.

Héctor dipinge il viso di Miguel in modo da farlo passare per uno spirito, cosicché possa esibirsi a una gara di musica il cui premio è l'ingresso alla festa di Ernesto de la Cruz.

Nel frattempo, Imelda e il resto dei parenti tentano di rintracciare Miguel con una guida spirituale, l'alebrije Pepita, dall'aspetto di un grosso felino volante, questa notizia arriva tuttavia anche alla gara di musica e viene esposta dalla direttrice. Appresa la situazione, Héctor litiga duramente con Miguel, poiché egli sarebbe già potuto tornare nel mondo dei vivi ed esporre la sua foto con la benedizione di uno dei parenti che lo stanno cercando e senza dover andare per forza da Ernesto; il ragazzino cerca di spiegare che i parenti che lo cercano non vogliono che suoni ma Héctor, insistente, lo trascina dai suoi con la forza, al che però lo stesso Miguel, indignato e credendo che Héctor sia bramoso di avere a tutti i costi la sua foto nel mondo dei vivi, gliela restituisce e lo abbandona intrufolandosi alla festa di Ernesto de la Cruz, con il quale passa diverso tempo.

Mentre questi sta per dargli la sua benedizione per il fatto che Miguel gli aveva detto di essere il suo pro-pronipote, Héctor entra nel palazzo e si scopre che Héctor ed Ernesto erano grandissimi amici. Héctor prega Miguel affinché esponga la sua foto e intanto tra Ernesto e Héctor avviene una discussione, poiché, secondo Héctor, Ernesto sarebbe divenuto famoso rubando le sue canzoni.

Il cantante cerca di spiegare a Héctor che, dopo la sua morte, ha suonato le sue canzoni in suo onore e perché meritavano di essere conosciute ma, aiutato dai parallelismi con un film interpretato da Ernesto e da quanto accadutogli alla morte, Héctor capisce che Ernesto lo ha ucciso con del veleno per rubargli le canzoni spacciandole per sue e diventare famoso. Héctor si scaglia contro Ernesto, ma questi lo fa portare via dalle guardie di sicurezza e rimane con Miguel, che è scioccato da ciò che ha visto e udito.

Comunque il ragazzino chiede a Ernesto la benedizione che stava per dargli; vedendo lo sguardo incredulo e sconcertato di Miguel, Ernesto capisce di essere stato scoperto e, dopo aver preso la foto di Héctor, decide di chiamare la sicurezza per impedire che il suo losco segreto venga rivelato facendo gettare il ragazzino in un cenote, dove egli incontra anche Héctor. Lo spirito rivela al ragazzo che ha sempre desiderato attraversare il ponte per il mondo dei vivi solo per rivedere sua figlia, l'unica che si ricordi ancora di lui, e che, alla sua morte, egli svanirà; mentre parla, Héctor rivela il nome di sua figlia: Coco. Miguel è incredulo e capisce che il suo trisavolo non è Ernesto, ma Héctor.

Fortunatamente, vengono ritrovati dalla famiglia ma, una volta in salvo, Imelda ha un'accesa discussione con Héctor, al quale rinfaccia di essersene andato lasciandola sola con una figlia da crescere, e rivelando che ha proibito la musica solo per proteggere la sua famiglia dalle sue ambizioni; Héctor sa che la colpa è solo sua e vorrebbe rimediare e scusarsi, ma comincia a svanire davanti a tutti perché Coco lo sta dimenticando. Imelda, vedendolo così, capisce che, nonostante tutto, non può lasciare che l'uomo che ancora ama scompaia, per cui, con Miguel e i suoi familiari, decide di riprendersi la foto di Héctor, e il ragazzo accetta di tornare nel mondo dei vivi alle condizioni di Imelda. Sulla strada verso il concerto di Ernesto, Miguel scopre che non avrebbe incontrato Héctor se non fosse stato per il cane Dante, che si rivela essere un alebrije.

Durante il concerto, la famiglia di Miguel lotta per la foto di Héctor e Imelda si esibisce in pubblico con Ernesto, mentre entrambi si contendono la foto. Dopo essere riusciti a recuperare la foto, Imelda sta per dare la sua benedizione a Miguel, quando Ernesto afferra il ragazzino e minaccia di ucciderlo. I parenti di Miguel filmano la scena e la proiettano al pubblico, che vede Ernesto dapprima minacciare di far sparire Héctor e poi lanciare Miguel nel vuoto. Il ragazzino viene salvato da Pepita, mentre Ernesto deve affrontare la rabbia del pubblico. Infine la stessa Pepita lo afferra e lo scaraventa contro una pesante campana, che lo schiaccia. Purtroppo però, nella concitazione del momento, la foto di Héctor finisce in fondo a un lago. È quasi l'alba, e la famiglia di Miguel non ha altra scelta che rispedirlo a Santa Cecilia senza condizioni.

Tornato nel mondo dei vivi, Miguel prende la chitarra di Héctor dal mausoleo di Ernesto de la Cruz e torna a casa dalla bisnonna Coco, alla quale cerca di far tornare in mente suo padre. Dopo alcuni tentativi andati a vuoto, Miguel decide di cantarle la canzone Ricordami, composta da Héctor per lei; Coco si riprende e finalmente ricorda, condividendo con il resto dei suoi familiari alcuni cimeli di suo padre, oltre a donare a Miguel il pezzo restante della foto dei suoi genitori che ritrae il volto di Héctor. Finalmente Miguel si riconcilia con la propria famiglia, che accetta il suo sogno di diventare un musicista.

Esattamente un anno dopo, nel Día de Muertos, Miguel presenta alla sorellina neonata l'ofrenda di famiglia, che ora include la foto di Coco, nel frattempo deceduta. Le lettere conservate da Coco contengono la prova che Ernesto ha plagiato la musica di Héctor per diventare famoso; di conseguenza Ernesto viene dimenticato sia nella Terra dell'Aldilà sia nel mondo dei vivi, mentre Héctor viene acclamato in tutto il mondo. Nella Terra dell'Aldilà, la riconciliata coppia di Imelda e Héctor, Coco e il resto dei parenti si riuniscono per far visita al mondo dei vivi, mentre Miguel canta e suona per tutta la famiglia e gli spiriti guida, e la gatta Pepita e il cane Dante, sempre capaci di passare da un mondo all'altro, giocano indisturbati.