Il film comincia con la conclusione della partita di basket dei Wildcats contro i West High Knights, in cui Troy (Zac Efron) incita i suoi compagni alla concentrazione (Now or Never). Raggiunta la giusta concentrazione la squadra quindi vince il campionato e per festeggiare l'evento, si celebra una festa a casa di Troy, dove, insieme a Gabriella (Vanessa Hudgens), parla delle loro esperienze e del loro futuro che sperano entrambi non finisca mai (Right Here, Right Now). Nel frattempo Sharpay (Ashley Tisdale) conosce Tiara Gold (Jemma McKenzie-Brown), una studentessa straniera dell'Inghilterra che vorrebbe diventare sua assistente personale.
La signora Darbus (Alyson Reed), insegnante di recitazione, concepisce che sono pochi gli iscritti allo spettacolo di fine anno e Sharpay propone di mettere su uno spettacolo con protagonista assoluta proprio lei. Questo allarma Kelsi (Olesya Rulin) che scrittura, a loro insaputa, tutto il resto della sua classe. Così la Darbus annuncia ai ragazzi che prepareranno uno spettacolo riguardante i loro ultimi anni alla East High. In più, rivela che Sharpay, Ryan (Lucas Grabeel), Kelsi, e Troy sono stati tutti considerati per una borsa di studio alla Julliard, ma che solo uno di loro verrà scelto dalla commissione. Sharpay si dispera e corre ai ripari, chiamando a se Ryan, che persuade, affinché scopra che canzone comporrà Kelsi per Troy e Gabriella per il musical (I Want It All). Nel film Ci sara' anche la canzone "Like Whoa" di "Aly & AJ''.
Il giorno successivo, Gabriella e Troy si incontrano al nascondiglio segreto del primo film, e lei insegna lui il ballo del walzer (Can I Have This Dance), mentre Chad chiede a Taylor (Monique Coleman) se vuole andare al ballo del diploma con lui. Inizialmente rifiuta, ma di fronte a tutta la scuola, Taylor accetta. Il gruppo comincia così ad iniziare le prove per il musical, una scena per il ballo (A Night to Remember) e Ryan compone insieme a Kelsi il brano Just Wanna Be with You nella sala di musica. Mentre Troy e Chad (Corbin Bleu) ripercorrono il loro passato (The Boys Are Back), Sharpay e Tiara scoprono che Gabriella ha la possibilità di frequentare il college prima del previsto. Così Sharpay convince Troy che è lui l'unico ostacolo che tiene Gabriella lontana dal college. Troy parla con Gabriella durante una cena in camera della ragazza, e dopo essersi salutati, Gabriella (Walk Away) parte per il college la mattina dopo.
Il padre di Troy, Jack (Bart Johnson), parla con suo figlio riguardo al suo futuro. Ma Troy si arrabbia e confuso, sfoga la sua rabbia nei corridoi della East High (Scream) finché da voce al suo grido di liberazione sul palcoscenico della scuola. La signora Darbus è proprio lì e assiste al tutto e decide di rivelare a Troy che è stata proprio lei ad inserire il suo nome tra i ragazzi per la borsa di studio alla Juliard. Come se non bastasse Gabriella lascia Troy ma gli giura che lo amerà per sempre. La sera del ballo, Troy raggiunge Gabriella all'Università di Stanford, e i due ballano sulle note di Can I Have This Dance.
Tornando invece alla East High, Jimmie (Matt Prokop) riceve un messaggio da Troy che dice di sostituirlo durante lo spettacolo poiché ritarderà ad arrivare. I rappresentanti della Julliard sono lì tra gli spettatori e lo spettacolo sembra andar bene (Senior Year Spring Musical). Dopo il debutto di Chad, Jason (Ryne Sanborn), Zeke (Chris Warren Jr.), e Martha (Kaycee Stroh) sul palco, Jimmie canta con Sharpay, ricevendo una inaspettata standing ovation. Troy e Gabriella tornano in tempo per cantare la seconda parte e si esibiscono sulle note del loro duetto (Just Wanna Be with You). Nei camerini, nel frattempo, Tiara indossa un vestito di Sharpay e con arroganza tradisce la sua fiducia dicendole che il prossimo anno, con Sharpay fuori dai giochi, sarà lei la presidentessa del Drama Club. Sharpay capisce così come ci si sente ad essere umiliati, ma decide comunque di andare in scena senza scoraggiarsi. Mentre Tiara si sta esibendo, Sharpay si intrufola nella sua scena e canta insieme a lei.
Durante il finale, (We're All in This Together (Graduation Mix)), la Darbus rivela che sia Kelsi sia Ryan hanno vinto la borsa di studio della Julliard. Troy decide di andare all'Università della California, Berkeley, dove potrà giocare a basket, studiare recitazione e stare vicino a Gabriella e Sharpay decide di andare a in una scuola poco lontana da lì per continuare ad aiutare la Darbus nel Drama Club, prendendosi così la rivincita su Tiara. Dopo la dichiarazione di Troy, Chad se ne va dal palco e corre in palestra, ma Troy gli promette che comunque andranno le cose, saranno sempre amici.
Nella scena finale, Troy fa un discorso durante la cerimonia del diploma a tutta la sua classe. Lanciando i cappelli in aria, i diplomati formano il loro stemma dei Wildcats e ballano sulle note di High School Musical. Alla fine del film i sei protagonisti principali sul palco salutano gli spettatori, mentre il logo di High School Musical scende dall'alto.