Baltimore, la noche de Año Nuevo. Un feroz ataque producido por un único hombre deja un saldo de 29 muertos y ni una sola pista. Eleanor Falco (Shailene Woodley), una retraída pero talentosa mujer policía de bajo rango, es reclutada por el agente especial del FBI Geoffrey Lammark (Ben Mendelsohn) para integrar el equipo a cargo de la identificación y captura del homicida.

En 1955, colegiales y padres de todo el país se reúnen para un concurso escolar dedicado a la observación de fenómenos astronómicos (Junior Stargazer Convention) que se lleva a cabo en una ciudad ficticia del desierto estadounidense llamada Asteroid City. La convención se verá espectacularmente interrumpida por eventos que cambian el mundo.