Marie-Laure vive con su padre en París, cerca del Museo de Historia Natural, donde él trabaja como responsable de sus mil cerraduras. Cuando, siendo muy niña, Marie-Laure se queda ciega, su padre le construye una perfecta miniatura de su barrio para que pueda memorizarla gracias al tacto y encontrar el camino a casa. A sus doce años, los nazis ocupan París y padre e hija tienen que huir a la ciudad amurallada de Saint-Malo. Con ellos se llevan la que podría ser la más preciada y peligrosa joya del museo.
En una ciudad minera de Alemania, el joven huérfano Werner crece junto a su hermana pequeña, cautivado por una rudimentaria radio que ambos encuentran. Werner se convierte en un experto en construir y reparar estos aparatos.