Adapté du roman de Brian Selznick, l'auteur de Hugo Cabret, Le Musée des merveilles suit sur deux époques distinctes les parcours de Ben et Rose. Ces deux enfants souhaitent secrètement que leur vie soit différente ; Ben rêve du père qu'il n'a jamais connu, tandis que Rose, isolée par sa surdité, se passionne pour la carrière d'une mystérieuse actrice. Lorsque Ben découvre dans les affaires de sa mère l'indice qui pourrait le conduire à son père et que Rose apprend que son idole sera bientôt sur scène, les deux enfants se lancent dans une quête à la symétrie fascinante qui va les mener à New York.