《迷妹罗曼史》讲述了90后技术宅男高歌（盛一伦 饰）的故事。他总是沉浸在旁人难以理解的奇思妙想中，而他的母亲始终坚信，高歌是自己与著名歌手罗大佑所生。为了阻止母亲将这件事公之于众，高歌带她前往深圳，声称要带她去找罗大佑当面对质。
然而，母子二人刚到深圳便意外走散。高歌在朋友余薇（郭姝彤 饰）和豆豆的陪伴下踏上寻母之路，并在途中遇见了母亲曾经的工友。工友的讲述让高歌震惊不已：母亲过去那些被他当作无稽之谈的经历，竟然确有其事。原来，在母亲平凡的外表之下，一直隐藏着一段连高歌都羡慕不已的疯狂往事。
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