Hiver 1979. Lillian, Ohio. Joe, treize ans, perd sa mère, Elizabeth Lamb, dans un accident à la fonderie de la ville. A la suite de cette disparition brutale, les relations entre le garçon et son père Jack, le shérif-adjoint de la ville, deviennent tendues. Quatre mois plus tard. Alors qu'il aide ses amis Charles, Preston, Martin, Cary et Alice à tourner un film d'horreur amateur en Super 8, Joe est témoin d'une spectaculaire catastrophe ferroviaire lorsqu'une camionnette fonce en contre-sens sur un train militaire et cause son déraillement. Arrivant sur les lieux de l'accident, le groupe découvre d'étranges cubes blancs ainsi que leur professeur de biologie, le docteur Woodward, au volant du véhicule. Au même moment, des militaires dirigés par le colonel Nelec arrivent sur les lieux mais les enfants s'enfuient et décident de ne rien dire à leurs parents.