Johnny Marco est une star d'Hollywood déboussolée par la célébrité, qui s'ennuie et enchaîne les conquêtes sans lendemain. Mais il va redonner du sens à son existence grâce à une relation complice avec sa fille de 11 ans qui débarque soudain dans sa vie.

Asteroïd City est une ville minuscule, en plein désert, dans le sud-ouest des États-Unis. Nous sommes en 1955. Le site est surtout célèbre pour son gigantesque cratère de météorite et son observatoire astronomique à proximité. Ce week-end, les militaires et les astronomes accueillent cinq enfants surdoués, distingués pour leurs créations scientifiques, afin qu'ils présentent leurs inventions. À quelques kilomètres de là, par-delà les collines, on aperçoit des champignons atomiques provoqués par des essais nucléaires.

En raison d'une épidémie de grippe canine, le maire de Megasaki ordonne la mise en quarantaine de tous les chiens de la ville envoyés sur une île qui devient alors l'Ile aux Chiens. Le jeune Atari, douze ans, vole un avion et se rend sur l'île pour rechercher son fidèle compagnon, Spots. Aidé par une bande de cinq chiens intrépides et attachants, il découvre une conspiration qui menace la ville.