Ben et Rose vivent à deux époques distinctes, lui est un enfant des années 70 et elle des années 20. Ben rêve d'un père qu'il n'a jamais connu alors que Rose, isolée par sa surdité, se passionne pour la carrière d'une mystérieuse actrice qu'elle immortalise au fil des pages d'un album personnel. Quand Ben découvre un indice troublant dans la chambre de sa mère qui pourrait le conduire à son père et que Rose tombe sur un article révélateur dans le journal sur son idole, les deux enfants se lancent dans une quête à travers les âges pour combler le vide qui les habite. Finalement, tous les deux, toujours aux décennies opposées, se rendront à New York, là où tout peut arriver …

Basé sur le roman de Brian Selznick "Wonderstruck", Le Musée des merveilles relate deux histoires à deux périodes différentes. Les liens entre les personnages ne surprendront personne. Dans le rôle de Rose, nous retrouvons Julianne Moore qui s'est très bien imprégnée de sa double performance, tandis que Oakes Fegley incarne un Ben plus vrai que nature. Les années évoquées dans le film ont des sens précis, puisque plusieurs hommages et représentations d'époques passées sont rendus : Le cinéma muet, le noir et blanc, l'image crasseuse de New-York dans les années 70, et même l’arrivée du parlé en 1927. La musique constitue également très importante du film, Carter Burwell signe là sa quatrième collaboration avec Todd Haynes.