フロリダで生まれ育ったジェイク（エイサ・バターフィールド）は、周囲に馴染めない孤独な少年。そんな彼の唯一の理解者である祖父が、謎めいた死を遂げる。祖父の遺言に従って小さな島を訪れたジェイクは、森の奥で古びた屋敷を発見。そこには、美しくも厳格なミス・ペレグリン（エヴァ・グリーン）と奇妙な子どもたちが暮らしていた。やがて彼らと心を通わせ、その不思議な能力を知るジェイク。しかもなぜか、彼らは毎日、1940年の9月3日を繰り返していたのだ。ジェイクがその事実と理由を知った頃、目に見えない脅威が屋敷に迫っていた。だが、ジェイクには解明しなければならない疑問があった。誰が現実に存在し、誰を信じられるのか。そして、自分がこの世界に送り込まれた役割とは何なのか。真実が明らかになったとき、永遠に続く1日と奇妙な子どもたちに訪れる大きな変化。そして、自らの身体に宿る力に気付いたジェイクは、屋敷に迫る脅威に立ち向かってゆく……。