À Rome, à la fin des années quatre-vingt, Salvatore, un réalisateur de cinéma de grande renommée, apprend la mort d'Alfredo, le vieux projectionniste de son village natal en Sicile. Cette nouvelle le plonge immédiatement dans un flot de souvenirs nostalgiques de son enfance d'après-guerre, époque où il passait tout son temps libre dans la cabine de projection du cinéma paroissial, le "Cinema Paradiso". Alfredo, figure paternelle de substitution, lui avait transmis son amour mystique pour le septième art et guidé ses premiers pas d'artiste. Salvatore décide alors de retourner dans son village après trente ans d'absence pour affronter les fantômes de son passé.