Nos cuenta la historia de Sammy Fabelman (Gabriel LaBelle) que vive entregado al cine, un interés aplaudido y fomentado por su madre, Mitzi (Michelle Williams). Su padre, Burt (Paul Dano), un prestigioso científico, apoya el trabajo de Sammy, pero lo considera una mera afición. Cuando su familia se muda al oeste, descubre una descorazonadora verdad sobre su madre que redefinirá la relación entre ambos y cambiará tanto su futuro como el de todo su núcleo familiar.