Oskar Schell, enfant précoce âgé de neuf ans, a caché le téléphone contenant les six messages que son père lui a laissé des tours jumelles où il se trouvait en rendez-vous avec un client au moment de l’attaque terroriste du 11 septembre. À la recherche d’informations relatives à la mort de son père, il découvre dans un vase bleu une enveloppe contenant une clé sur laquelle est inscrit le nom « Black ». Il se met à la recherche du propriétaire de cette clé et de la serrure correspondante en rendant visite chaque fin de semaine à une série d’individus se nommant Black. Il rencontre ainsi un certain Mr Black qui n’est pas sorti de chez lui depuis la mort de son épouse, 24 ans plus tôt. Le jeune Schell le convainc de l’accompagner dans sa recherche. Black l’aide à dépasser quelques-unes des phobies relatives à l’attaque terroriste des tours : fréquentation des métros, des ferrys, des terrasses panoramiques, etc. Le jeune Oskar, à l’imagination aussi prolixe qu’inquiète, est suivi par un psychiatre qui propose à sa mère de l’hospitaliser. Il communique à l’aide de talkies-walkies avec sa grand-mère qui habite dans l’immeuble d’en face.