El afamado dramaturgo Conrad Earp prepara una pieza de arte moderno que se titulará probablemente 'Asteroid City'.
Transcurre en 1955, cuando el recientemente enviudado Augie Steenbeck realiza con sus hijos un viaje en coche y, poco antes de llegar a Asteroid City, su coche se avería. Por fortuna ése era su lugar de destino, pues el primogénito Woodrow debe participar en un concurso científico dentro de una convención de astronomía que se celebra en ese sitio, apenas un parador y un motel, edificados en mitad de la nada, entorno a un cráter dónde miles de años atrás cayó un asteroide.
A Augie no le queda otra que pedir ayuda a su suegro Stanley Zak, con quien no mantiene una relación muy fluida. Y mientras se celebran conferencias y el concurso, un hecho extraordinario sacudirá esos tranquilos planes.