À New York, le jeune Oskar Schell rentre chez lui, selon la consigne de son école. Tandis qu'il écoute les messages sur le répondeur téléphonique, il regarde la télévision qui retransmet en direct les attentats du où son père disparaît dans l'effondrement des tours du. Après s'être renfermé sur lui-même, il retrouve la dernière consigne que celui-ci lui avait laissée : . L'enfant se lance alors dans la résolution d'une énigme, comme son père Thomas Schell lui avait appris à le faire : que peut bien ouvrir la clé qu'il vient de trouver dans un vase que son père avait caché ? Qui est l'homme d'origine afro-américain dont le nom apparaît sur l'enveloppe contenant la clé ? Persuadé qu'il trouvera un dernier message du disparu, Oskar rencontre des membres de la communauté afro-américaine de New York, aidé par un vieux locataire de sa grand-mère, qui ne parle pas et ne communique que par des petits mots écrits sur un calepin.