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Cresciuto nell'Arizona del secondo dopoguerra, un giovane di nome Sammy Fabelman scopre uno sconvolgente segreto di famiglia ed esplora come il potere dei film può aiutarlo a vedere la verità.
Spoiler La notte del 10 gennaio 1952, ad Haddon Township, nel New Jersey, i coniugi Mitzi e Burt Fabelman portano il loro bambino Sammy a vedere il suo primo film: Il più grande spettacolo del mondo di Cecil B. DeMille. Sammy resta colpito in particolar modo dalla scena di un incidente ferroviario e chiede il modello di un trenino come regalo per Hanukkah. Mitzi gli regala una videocamera da 8 mm, incoraggiandolo a replicare la scena del film con il trenino giocattolo; da allora, Sammy inizia a fare riprese di ogni tipo, coinvolgendo spesso le sue sorelle minori in varie scene. Nel 1957 a Burt viene offerto un nuovo lavoro a Phoenix, in Arizona; lui e la sua famiglia vi si trasferiscono portando anche Bennie Loewy, il miglior amico e socio di Burt, su insistenza di Mitzi. Anni dopo Sammy, ormai adolescente, continua a realizzare film con l'aiuto dei suoi amici boy scout, utilizzando effetti speciali amatoriali e applicando modifiche di post-produzione, per poi mostrare le riprese a un piccolo pubblico di conoscenti.
La madre di Mitzi muore di vecchiaia, lasciando la figlia particolarmente sconvolta. Burt, pur considerando la passione del figlio un semplice hobby, gli regala nuove attrezzature, suggerendogli di realizzare un film per rallegrare la madre, sebbene Sammy dia la priorità a un'altra sua pellicola. I Fabelman ricevono una visita a sorpresa dallo zio di Mitzi, Boris, un ex domatore di leoni e cineasta, il quale confida a Sammy il conflitto che ha creato tra la sua famiglia e l'arte, ritenendo che questi siano due elementi che saranno sempre in contrasto tra loro. Dopo la partenza di Boris, Sammy inizia a montare un filmato delle vacanze in campeggio della sua famiglia per mostrarlo a Mitzi e tirarla su di morale; si accorge così, attraverso alcune scene, di una tresca amorosa tra sua madre e Bennie. Profondamente scosso, Sammy assume un comportamento freddo e distaccato nei confronti di Mitzi e Bennie. La situazione degenera in un'accesa discussione tra madre e figlio, al termine del quale Mitzi colpisce Sammy sulla schiena in un impeto di rabbia; Sammy le mostra il filmato e promette di mantenere il segreto. La settimana seguente Burt riceve una nuova promozione che comporta un altro trasferimento in California con la sua famiglia. Bennie rimane a Phoenix, ma regala a Sammy una nuova cinepresa, che il ragazzo si ripromette di non usare mai. Nella nuova scuola, Sammy fatica a integrarsi; in particolare due compagni, Logan e Chad, lo prendono di mira con insulti antisemiti. Sammy inizia una relazione con la compagna Monica, sebbene lei sia una devota cristiana, la quale lo incoraggia a filmare una giornata in spiaggia trascorsa dagli studenti per festeggiare la fine della scuola. Mitzi, dal canto suo, soffre particolarmente per il trasferimento e per l'allontanamento da Bennie, cadendo in una forte depressione. Quando Burt lo scopre, i due decidono di divorziare, con grande disperazione dei figli.
Al ballo di fine anno, Sammy dichiara a Monica il suo amore e la prega di seguirlo a Hollywood dopo il liceo, ma lei rompe con lui in quanto non intende abbandonare i suoi piani futuri. Il film di Sammy della gita in spiaggia viene proiettato ai compagni e viene accolto in modo estremamente positivo; Logan affronta Sammy, confuso del fatto che lo abbia raffigurato in modo glorificato nonostante il bullismo che ha perpetrato nei suoi confronti, ma Sammy gli spiega di aver semplicemente ripreso la realtà e i due raggiungono un'intesa quando Logan respinge Chad prima che possa attaccare nuovamente Sammy. La mattina dopo, Mitzi e Sammy parlano del loro futuro e la donna gli dice di non rinunciare al suo amore per il cinema. L'anno seguente Sammy vive con Burt a Hollywood, ma prova un forte stato di ansia in quanto incapace di trovare lavoro e insoddisfatto del college. Burt, riconoscendo la rinnovata felicità di Mitzi assieme a Bennie, accetta con titubanza la passione di suo figlio per il cinema. Il ragazzo riceve in quel momento una lettera della CBS, che gli offre di lavorare a una sitcom. Il co-creatore dello spettacolo, notando che Sammy è più interessato al cinema, lo invita a incontrare il regista John Ford. Quest'ultimo offre a Sammy alcuni brevi suggerimenti sull'inquadratura e Sammy, felice, esce dagli studios preparandosi alla sua nuova vita.