ハーシェルの町に住むお嬢様のチューズデイは、家出をしてアルバシティまでやってきた。彼女の夢はミュージシャン。そのアルバシティでバイトを首になったのが施設育ちのキャロル。彼女の夢もまた、ミュージシャンだった。キャロルが路上で歌った歌が、チューズデイの心をとらえ、ふたりは出会う。そして、チューズデイはキャロルの部屋に転がり込み、ふたりは生い立ちを語り合う。ここから“奇跡の7分間”の原動力となったふたりの少女の物語は始まる。

家出娘のチューズデイがキャロルの部屋に転がり込み、共同生活が始まった。その夜、キャロルはチューズデイに一緒に作った曲をちゃんとしたピアノで弾いてみたいと言う。思いついた場所は、火星移民メモリアルホール。そして、アルバシティにはもうひとり、歌手デビューを目指す少女がいた。モデルのアンジェラ。彼女は現代最高のプロデューサー・タオのもと歌手として第一歩を踏み出そうとしていた。

キャロルとチューズデイの前に突然現れた男・ガス。自称敏腕マネージャーのガスは「お前らには才能がある」と２人のマネジメントを買って出る。では、どうやってキャロル＆チューズデイを売り出すのか。時代遅れのアイデアばかりのガス。そこでAIプログラマー・ロディの大物DJにフィーチャリングされる」というアイデアが決まってしまう。ロディのコネで、キャロルとチューズデイは人気絶頂のDJアーティガンに直接売り込みにいくのだが…。

DJフィーチャリング作戦は失敗に終わった。そして第２回売り出し作戦会議で決まったのが、ミュージックビデオの制作。ガスが買ったディレクターAI“イデア”が届き、さっそく手分けして撮影の準備が始まる。キャロルとチューズデイは新曲を作り、ロディはアーティガンに高級車を借りに行く。そしてガスは、スタイリストで元妻・マリーを呼び出し、協力を頼む。そして、いよいよ“イデア”による撮影が始まるが…。

たった観客10人のファースト・ライブ。第１歩を踏み出したキャロル＆チューズデイの次のステージは、サイドニア・フェスのメインステージだった。キャパは10万人以上。しかも開催日は明日。お騒がせバンド・オメガのヴォーカル・ヨシュアに万が一があった時のための補欠としてブッキングされる。憧れのアーティスト・クリスタルも出演する大舞台で、緊張しまくるキャロル＆チューズデイに果たして出番はやってくるのか…。

サイドニア・フェスで憧れのクリスタルから声をかけられたキャロル＆チューズデイ。そんな２人にガスはオーディション番組「マーズ・ブライテスト」への出演を提案する。地方予選に参加したキャロル＆チューズデイ。審査員の質問でチューズデイは初めてキャロルの生い立ちを知る。一方、アンジェラもまたタオの指示で「マーズ・ブライテスト」への参加を決めていた。20万人の参加者のうち本選に出場できるのはわずか８組——。

オーディション番組「マーズ・ブライテスト」の本選メンバーは超個性派ばかり。会場の雰囲気に圧倒されるキャロルとチューズデイ。出場者の一人・シベールは、チューズデイのファンを名乗り、親しげに振る舞ってくる。一方アンジェラは、自身のプロデューサーであるタオが姿を見せないことに苛立っていた。そして本選が開幕。キャロル＆チューズデイは第２戦に出場、OGブルドッグと対戦する。

準決勝進出を決めたキャロル＆チューズデイ。その翌週、今度は「マーズ・ブライテスト」の第３戦、第４戦が行われる。出演を控えたシベールは、チューズデイに髪型はどれがいいかを尋ね、さらに一緒にコンビを組もうと迫ってくる。シベールをうまくあしらえないチューズデイに苛立つキャロル。そのシベールが第４戦で対戦するのは、アンジェラだった。

「マーズ・ブライテスト」にここまで勝ち残ったのはＧＧＫ、ピョートル、キャロル＆チューズデイ、そしてアンジェラ。マンスリー審査員には、アーティガンが参加し、いよいよ準決勝が始まる。最初の対戦はGGKとアンジェラ。GGKの圧巻なパフォーマンスを見たタオは、突如、歌唱前のアンジェラの楽屋を訪れて、あることを命じる。アンジェラはそれを受け入れた。一方、キャロルとチューズデイのもとを訪れたシベールはチューズデイに別れを告げる。

チューズデイが右手を負傷し、キャロル&チューズデイは歌とピアノだけでの勝負を強いられる。この事態をめぐり、人々は非難の応酬を始めてしまう。

キャロル&チューズデイは終わったかに思えたが、ガスはキャロルを勇気づける。決勝が迫るなか、ガスとキャロルはチューズデイの救出作戦を決行する。

キャロル&チューズデイは世間の注目を集めるが、そのせいで思わぬトラブルも。レコード会社との契約に臨む2人は、将来を左右する選択肢に直面する。

ガスは伝説の音楽プロデューサー、トビーに協力を求めるが、彼は見た目も性格も強烈な人物だった。アンジェラは、新曲のためにスタジオ入りする。

デビュー曲を発表したキャロル&チューズデイに、生きる伝説と呼ばれるアーティストから招待状が届く。チューズデイの母は、大統領との討論会に臨む。

キャロル&チューズデイはデビュー曲をリリースし、一大イベントへの出演も決定。ある夜、2人はキャロルの憧れのアーティスト、フローラに出会う。

アーティガンは、AIマネージャーに預金を持ち逃げされて一文無しに。アルバムを制作中のキャロルとチューズデイは、トビーからダメ出しされてしまう。

意見を対立させるアーティガンとタオ。ストーカーにおびえるアンジェラ。チューズデイは、激しい選挙戦を戦う母と向き合うため、カイルと会うことに。

アンジェラがストーカー被害にあっていると知ったタオは、自ら犯人捜しを開始。だが、フェスへの参加が決定したアンジェラに、危険が近づいていた。

キャロル&チューズデイは音楽賞の新人賞にノミネートされ、授賞式での演奏も決定。タオはアンジェラを再現したAIを完成させるが、逮捕されてしまう。

タオが逮捕され、母は意識不明の状況で、アンジェラは孤独感を募らせてゆく。キャロルとチューズデイは、アルバムを締めくくる最後の曲に頭を悩ませる。

クリスタルの言葉をきっかけに、マーズ・グラミーで歌う曲作りに励むキャロル&チューズデイ。本番の日、アンジェラは母の側から離れられずにいた。

反ヴァレリーのスキップ達が逮捕され、キャロルとチューズデイは火星中のミュージシャンが1つの歌を歌うことを提案。タオは、逃亡を続けるのだが...。

アンジェラに隠していた秘密を告げるタオ。ファーストアルバムを完成させたキャロル&チューズデイを中心に、アーティスト達の夢の共演が幕を開ける。