유명 영화감독으로 활약 중인 토토(자크 페렝)는 고향 마을의 영사기사 알프레도(필립 느와레)의 사망소식에 30년 만에 고향을 찾는다. 어린 시절 영화가 세상의 전부였던 소년 토토(살바토레 카스치오)는 학교 수업을 마치면 마을 광장에 있는 낡은 ‘시네마천국’이라는 극장으로 달려가 영사 기사 알프레도와 친구로 지내며 어깨너머로 영사기술을 배운다. 어느 날 관객들을 위해 광장에서 야외 상영을 해주던 알프레도가 그만 화재 사고로 실명하게 되고, 토토가 그의 뒤를 이어 ‘시네마천국’의 영상기사로 일하게 된다. 실명한 후에도 토토의 친구이자 아버지로 든든한 정신적 지주가 되어준 알프레도는 청년이 된 토토(마코 레오나디)가 사랑하는 여자 엘레나(아그네즈 나노)의 부모님의 반대로 좌절하자 넓은 세상으로 나가서 더 많은 것을 배우라며 권유하고 토토는 고향을 떠나게 되는데...