1952年、科学者の父バート（ポール・ダノ）と音楽家でピアニストの母ミッツィ（ミシェル・ウィリアムズ）に連れられて初めて映画館を訪れたサミー・フェイブルマンは、「地上最大のショウ」が始まると映画に魂を奪われる。特に汽車のシーンに魅了された彼は、映画をまねておもちゃの汽車を何度も衝突させる。見かねた母は8ミリカメラを与え、その場面を撮影すれば汽車も壊れないと教える。サミーは妹たちを出演させ、作品を撮り始める。やがてRCA社での功績が認められたバートはGE社にスカウトされ、一家はアリゾナへ引っ越すことに。RCAでの同僚で親友のベニー（セス・ローゲン）を置いて行こうとするが、ミッツィから激しく抗議され、共に旅立つ。ジョン・フォード監督の「リバティ・バランスを射った男」を観たサミーは第2次世界大戦を描く大作を構想し、今より高性能の8ミリカメラと編集機が必要になる。サミーはバートにお願いするが、値段を聞いた父に「たかが趣味のために」と言われてしまう。そんな中、ミッツィが突然母を亡くす。悲嘆にくれる妻を励ましたいバートは、サミーに8ミリ用編集機を買い与え、一家とベニーで行ったキャンプ旅行でサミーが撮った映像を編集するよう頼む。翌日、ミッツィの母の兄、ボリス伯父さん（ジャド・ハーシュ）がやって来る。サーカスの調教師からハリウッド映画界へ転身したボリスは、一族では変わり者として恐れられていた。自分の戦争映画について熱く語るサミーに、ボリスは「芸術は輝く栄冠をもたらすが、一方で胸を裂き、孤独をもたらす」と忠告する。キャンプ映画の編集を始めたサミーは、背景に映り込んだ“あること”に気づきショックを受ける。それから戦争映画に取り掛かり、完成した作品は友人たちを集めた上映会で大評判となるが、サミーは家族の秘密に葛藤していた。バートはIBMへの転職が決まり、一家はベニーに別れを告げてカリフォルニアに旅立つ。そこには思いがけない出来事が待ち受けていた……。