Au retour d'une première, les tensions accumulées et des révélations douloureuses poussent un réalisateur et sa compagne à faire l'examen de leur relation sentimentale.

Asteroid 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.

Dans un monde où vampires et humains vivent en harmonie grâce à de strictes règles de coexistence, le fragile équilibre entre les deux groupes semble menacé. En effet, depuis peu, un vampire nommé Edgar conteste ouvertement les fondements de la religion dominante. Frère Silus, un vampire aux méthodes expéditives, et Lilly, une humaine aux talents multiples, se voient confier la tâche délicate de neutraliser Edgar.

Lorsqu'une explosion chimique éclate, deux scientifiques exerçant dans une base secrète se retrouvent condamnés dans une zone de quarantaine. Leur entreprise souhaite effacer toute preuve de leur implication dans la catastrophe, y compris en assassinant les témoins. Les deux hommes vont tout faire pour sortir des locaux sains et saufs pour révéler les détails de leurs expériences...