'Wonderstruck' volgt het verhaal van twee personen, Rose en Ben, uit verschillende tijdsperiodes. In 1927 besluit Rose, die zich eenzaam voelt, naar New York te reizen om haar idool te ontmoeten. In 1977, nadat Ben zijn moeder verliest door een tragisch ongeluk, wordt hij gedwongen bij zijn oom en tante te gaan wonen. Wanneer hij vervolgens een aanwijzing in een boek van zijn moeder vindt waar zijn vader zou verblijven, trekt ook hij naar New York om zijn vader te vinden en te ontmoeten. Middels een mysterie zullen de paden van Ben en Rose op speciale wijze met elkaar kruisen.
