Oskar Schell, 11 ans, est un jeune New-Yorkais à l'imagination débordante. Un an après la mort de son père dans les attentats du World Trade Center, le "jour le plus noir", selon l'adolescent, il découvre une clé dans les affaires du défunt. Déterminé à maintenir un lien avec l'homme qui lui a appris à surmonter ses plus grandes angoisses, il se met en tête de trouver la serrure qui correspond à la mystérieuse clé. Tandis qu'il sillonne la ville pour résoudre l'énigme, il croise toutes sortes d'individus qui, chacun à leur façon, sont des survivants. Chemin faisant, il découvre aussi des liens insoupçonnés avec son père qui lui manque terriblement et avec sa mère qui semble si loin de lui, mais aussi avec le monde déconcertant et périlleux qui l'entoure...