En 1969, el arqueólogo y aventurero estadounidense Indiana Jones vive en el contexto de la carrera espacial. Jones está inquieto por el hecho de que el gobierno de los EE. UU. reclutó a antiguos enemigos para ayudar a vencer a la Unión Soviética en la competencia para llegar al espacio. Su ahijada, Helena, lo acompaña en su viaje. Mientras tanto,​ Voller, miembro de la NASA y exnazi involucrado en el programa de alunizaje, desea hacer del mundo un lugar mejor como mejor le parezca.

Durante años, Abe Portman le ha contado historias a su nieto Jake sobre su infancia, sobreviviendo a la Segunda Guerra Mundial, luchando contra monstruos y viviendo en un hogar secreto para niños en Cairnholm, Gales. Según Abe, los hijos de la casa y su directora, la señorita Alma Peregrine, poseen habilidades paranormales y son conocidos como "Peculiars". Cuando Jake cumple dieciséis años, responde a una llamada telefónica de pánico de Abe y va a su casa para encontrarlo muriendo sin los ojos. Abe le dice que vaya al "bucle del 3 de septiembre de 1943". Después de que Abe muere, Jake vislumbra un monstruo exactamente como los descritos en las historias de Abe escondido en el bosque.

En una serie de flashbacks a lo largo de la película, Maria Altmann recuerda el Anschluss y la persecución posterior del judaísmo en Austria y el saqueo nazi contra familias judías. Buscando escapar antes de que el país sea completamente cerrado, Maria Altmann y miembros de su familia intentan huir a Estados Unidos. Aunque Altmann y su esposo logran escapar con éxito, se ven obligados a abandonar a sus padres en Viena.

Alemania después de la II Guerra Mundial. Michael Berg (David Kross), un chico de 15 años, pierde el conocimiento mientras regresa del colegio. Hanna Schmitz (Kate Winslet), una mujer seria y reservada que le dobla la edad, lo recoge y lo lleva a su casa. Entre ambos surge un apasionado y secreto idilio que se ve interrumpido por la misteriosa desaparición de Hanna. Ocho años más tarde, siendo estudiante de Derecho, Michael vuelve a verla, pero en una situación que nunca hubiera podido imaginar.