Oskar Schell (Thomas Horn) é um garoto muito apegado ao pai, Thomas (Tom Hanks), que inventou que Nova York tinha um distrito hoje desaparecido para fazer com que o filho tivesse iniciativa e aprendesse a falar com todo tipo de pessoa. Thomas estava no World Trade Center no fatídico 11 de setembro de 2001, tendo falecido devido aos ataques terroristas. A perda foi um baque para Oskar e sua mãe, Linda (Sandra Bullock). Um ano depois, Oskar teme perder a lembrança do pai. Um dia, ao vasculhar o guarda-roupas dele, quebra acidentalmente um pequeno vaso azul. Dentre há um envelope onde aparece escrito Black e, dentro dele, uma misteriosa chave. Convencido que ela é um enigma deixado pelo pai para que pudesse desvendar, Oskar inicia uma expedição pela cidade de Nova York, em busca de todos os habitantes que tenham o sobrenome Black.