1977년, 불의의 사고로 엄마를 잃은 소년 ‘벤’은 우연히 엄마의 서랍장 속에서 한 번도 본 적 없는 아빠에 대한 단서가 담긴 책 [원더스트럭]과 한 서점의 주소를 발견하고 뉴욕으로 떠난다. 1927년, 엄격한 아버지의 통제를 받던 소녀 ‘로즈’는 어느 날, 자신이 선망하는 여배우의 공연 기사를 보고 무작정 집을 뛰쳐나와 홀로 뉴욕으로 향한다. 부푼 소망을 안고 뉴욕으로 향한 소년과 소녀, 이 둘은 50년을 뛰어넘어 자연사박물관에서 만나게 되는데… "세상은 정말 놀라움 투성이야!"
