En 1955, colegiales y padres de todo el país se reúnen para un concurso escolar dedicado a la observación de fenómenos astronómicos (Junior Stargazer Convention) que se lleva a cabo en una ciudad ficticia del desierto estadounidense llamada Asteroid City. La convención se verá espectacularmente interrumpida por eventos que cambian el mundo.
Tom Hanks interpreta a Finch, un ingeniero especializado en robótica y uno de los pocos supervivientes de un cataclismo solar que ha convertido al mundo en un páramo. Pero Finch, que lleva una década viviendo en un búnker subterráneo, ha construido un mundo propio que comparte con su perro, Goodyear, y con un robot, interpretado por Caleb Landry Jones, que creó para que cuide de Goodyear cuando él ya no pueda hacerlo. Cuando el trío se embarca en un peligroso viaje al desolado oeste americano, Finch se esfuerza por mostrar a su creación, que se bautizó como Jeff, y la alegría y la maravilla que representan estar vivo. Su viaje está plagado de retos y de humor, ya que a Finch le resulta tan difícil lograr que Jeff y Goodyear se lleven bien como a él lidiar con los peligros de este nuevo mundo.