어린 시절 영화가 세상의 전부였던 소년 토토는 학교 수업을 마치면 마을 광장에 있는 낡은 시네마 천국이라는 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 시네마 천국의 영상기사로 일하게 된다. 실명한 후에도 토토의 친구이자 아버지로 든든한 정신적 지주가 되어준 알프레도는 청년이 된 토토가 사랑하는 여자 엘레나의 부모님의 반대로 좌절하자 넓은 세상으로 나가서 더 많은 것을 배우라며 권유하는데...

죽을지도 모른다는 불안감을 가지고 사는 연극연출가 케이든. 교외에서 지역 극장을 운영하는 그의 삶은 황량해 보인다. 화가인 아내 아델은 자신의 경력을 쌓고자 어린 딸 올리브를 데리고 그를 떠나버린다. 묘하게 솔직해서 마음이 끌리는 극장직원 헤이즐과의 새로운 관계는 제대로 시작하기도 전에 끝나고 만다. 그러던 어느 날, 인생의 무상함에 괴로워하던 그에게 거대한 연극무대를 올릴 일생의 기회가 찾아온다. 그는 뉴욕의 창고에서 실물 크기의 도시를 만들어 잔인하리만큼 정직하고, 진실된 인생을 그려볼 계획을 세운다. 하지만 연극 속의 삶과 케이든의 실제 삶의 경계가 뒤엉키며 그가 맺은 모든 관계들은 한계에 다다르게 되는데….

끝이 시작이 되는 순환적인 구조 속에 두 연인의 비극적인 운명을 마치 퍼즐처럼 직조한 러브스토리로, 주인공들인 오토(OTTO)와 아나(ANA) 이름 또한 바로 읽으나 거꾸로 읽으나 똑같은 ‘회문’으로서 순환 구조의 일부가 된다. 주인공 아나와 오토는 8살 때 처음 만나 영혼의 교감을 나누게 된다. 그러나 두 사람의 만남으로 인해 오토의 아버지와 아나의 어머니가 결혼하는 바람에, 아나와 오토는 비밀스럽고 고통스러운 사랑을 간직하게 된다. 많은 우여곡절 끝에 서로를 떠난 두 사람은 25살이 되어 운명처럼 북극권의 가장자리 핀란드에서 다시 만나지만, 이들에게는 죽음이라는 또 다른 비극이 기다린다.

페드로(Pedro: 마르코 레오나르디 분)와 리타(Tita: 루미 카바조스 분)는 서로 사랑하는 사이이다. 페드로 아버지는 리타 어머니에게 두 사람의 결혼을 청하나 거절당한다. 이유는 멕시코 명문가에서는 막내딸은 결혼은 못하고 어머니를 돌보도록 하는 풍습이 있는데 리타는 막내딸인 것이다. 리타 어머니는 리타보다 두살위인 언니 로사우라(Rosaura: 야렐리 아르즈멘디 분)와 결혼할 것을 제의한다. 페드로는 한집에서 같이 지낼 수 있다는 생각에 언니와의 결혼을 승락한다. 리타는 음식을 만들어 사람의 감정을 전달하는 신통력을 가지고 있다. 페드로와 언니 결혼식날, 케이크를 먹은 하객들은 불행한 결혼을 아는듯 눈물을 흘리고 토하게 된다. 그리고 페드로가 선물한 장미로 만든 장미꽃 소스를 통해 진정한 사랑의 마음을 전달하게 되고 큰 언니 헤루트루디(Gertrudis: 클라우뎃 마일레 분)는 열정을 못참고 집을 뛰쳐나가 혁명가의 아내가 된다. 로사우라의 난산으로 오게 된 브라운 박사(Doctor John Brown: 마리오 아반 마티네즈 분)는 리타를 보고 사랑을 느끼게 된다. 엘레나 부인(Mama Elena: 레지나 토르네 분)은 리타와 페드로 사이가 심상치 않음을 알고 페드로 부부를 삼촌집으로 보낸다. 로사우라의 아들이 전염병으로 죽었다는 소식을 들은 리타는 미치게 되어 브라운 박사 집에서 치료를 받게 된다. 둘은 사랑을 느끼게 되어 리타는 브라운 박사의 청혼을 받아들인다. 한편 엘레나 부인은 반란군이 침입해 저항하다 사망한다. 리타는 비로소 엄마의 비밀을 알게 되는데...