Claire Stenwick, exagente de la CIA, y Ray Koval, exagente del MI6, han abandonado el mundo del espionaje para dedicarse a un negocio más lucrativo que los convierte en enemigos: su misión consiste en encontrar la fórmula de un producto que hará ganar una auténtica fortuna a la empresa que la consiga. Sus jefes son el titán de la industria Howard Tully y el desaprensivo consejero delegado Dick Garsik. A pesar de que las tácticas de Claire y Ray son cada vez más sucias, surge entre ellos una creciente atracción.

En 1955, colegiales y padres de todo el país se reúnen para un concurso escolar dedicado a la observación de fenómenos astronómicos (Junior Stargazer Convention) que se lleva a cabo en una ciudad ficticia del desierto estadounidense llamada Asteroid City. La convención se verá espectacularmente interrumpida por eventos que cambian el mundo.