A trama adota uma estrutura que inicialmente soa bagunçada, começando com um programa de televisão que apresenta uma peça sobre a construção de uma peça chamada Asteroid City, até nos mostrar a história propriamente dita dos personagens de Asteroid City. Nessa história, dentro de histórias dentro de histórias, conhecemos Augie (Jason Schwartzman) um enlutado fotógrafo de guerra que busca o momento ideal para contar aos filhos sobre o falecimento da mãe. Ele está com os filhos na pequena cidade de Asteroid City para uma convenção de jovens prodígios da ciência, um deles seu filho mais velho, Woodrow (Jake Ryan). Quando um evento inesperado obriga todos a ficarem de quarentena na cidade, os personagens começam a reavaliar suas vidas.