Salvatore Di Vita, da quando ha lasciato il paesino di cui è originario non vi ha mai più voluto rimettere piede e da trent'anni vive a Roma, dove nel frattempo è diventato un affermato regista cinematografico. Una sera, al suo rientro a casa, scopre dalla sua compagna la notizia della morte di un certo Alfredo, e per tutta la notte rivive i ricordi della sua infanzia. Dopo la fine della seconda guerra mondiale, in un paesino siciliano, Giancaldo, il cinema è l'unico divertimento. Siamo alla fine degli anni quaranta e Totò, un bambino povero che vive con la sorella e la madre, è in attesa che il padre ritorni dalla Russia, dove è disperso in guerra. Svolge il compito di chierichetto per don Adelfio, parroco del paese e gestore della sala cinematografica "Cinema Paradiso".

Don Adelfio censura tutte le scene di baci amorosi all'interno dei film perché le ritiene troppo sconvenienti. Salvatore, affascinato dal cinematografo, tenta invano di assistere di nascosto alle proiezioni private per il prete e di rubare qualche scena tagliata dal proiezionista Alfredo. Quest'ultimo è un uomo analfabeta con cui Totò cerca di stringere amicizia, nonostante l'opinione contraria di sua madre e l'atteggiamento un po' scontroso di Alfredo. In occasione dell'esame di licenza elementare a cui partecipa anche Alfredo, Totò riesce finalmente a fare un accordo con lui: il bambino darà ad Alfredo i risultati della prova, ma in cambio il proiezionista dovrà insegnare a Totò tutti i trucchi del mestiere.

Una sera il pubblico reclama a gran voce il secondo spettacolo e, poiché la sala è stata chiusa, Alfredo e Totò decidono di accontentarli proiettando il film sul muro di una casa della piazza del paese. Una distrazione dell'uomo è la causa di un incendio che si propaga velocemente all'interno della cabina di proiezione. Totò riesce a salvare l'amico, che purtroppo perde la vista. Grazie all'intervento di un paesano diventato milionario, Spaccafico, la sala cinematografica viene ricostruita e prende il nome di "Nuovo Cinema Paradiso". Inizia così una nuova epoca per questo cinema al cui interno lavora il bambino, che d'ora in avanti proietterà pellicole non più censurate.

Salvatore, diventato adolescente, conosce Elena, una studentessa figlia di una ricca famiglia, e se ne innamora, ma i genitori di lei non gradiscono la loro relazione e decidono di trasferirsi. Nel frattempo il ragazzo è chiamato nell'esercito militare a Roma e perde completamente le tracce di Elena; tornato in Sicilia si rivede con Alfredo che gli consiglia di abbandonare per sempre la sua terra natale. Con quest'ultimo ricordo la mente di Salvatore torna alla realtà: nonostante sia un regista ricco e famoso è deluso della sua vita, e decide di partire per la Sicilia.

Il funerale di Alfredo diventa l'occasione per confrontarsi con il suo passato e con le persone che avevano popolato la sua infanzia. Anche il Nuovo Cinema Paradiso, oramai è chiuso ed inutilizzato da sei anni, ha perso il suo splendore e Salvatore non può che assistere immobile alla sua demolizione. Il regista ha anche l'occasione di rivedere Elena, ma solo per l'ultima volta: lei è ormai sposata con un vecchio compagno di scuola di Totò. Dopo aver scoperto di non essersi incontrati l'ultima volta per una serie di coincidenze (e per l'intervento dello stesso Alfredo), vivono una notte di passione, destinata però a rimanere unica, e Totò non può fare altro che tornare a Roma con un riallungo cinematografico contenente una misteriosa pellicola che gli ha lasciato in eredità Alfredo: questa è un montaggio dei baci censurati da don Adelfio e la sua proiezione commuove Salvatore che con quelle immagini ricorda la sua infanzia.