Etats-Unis, au milieu des années 1950. Perdue en plein milieu du désert, la bourgade d'Asteroid City est surtout connue pour abriter un observatoire astronomique non loin d'un énorme cratère creusé par une météorite. Et c'est ce site qui a été choisi par des militaires et des astronomes pour accueillir, le temps d'un week-end, des enfants surdoués récompensés pour leurs inventions et qu'ils viennent présenter à cette occasion. L'étrange réunion est rythmée par le bruit des explosions causées par des essais nucléaires réalisés à proximité des lieux, des frappes qui laissent apparaître d'impressionnants champignons dans le ciel...