Salvatore Di Vita es un director de cine consagrado. Lleva treinta años viviendo en Roma y nunca ha querido volver a Giancaldo, su pueblo natal siciliano. Una noche, cuando vuelve a casa, su compañero le dice que Alfredo ha muerto. Salvatore, perturbado por la noticia, no puede dormir y durante toda la noche revive los recuerdos de su infancia.

Después de la Segunda Guerra Mundial, Salvatore -conocido como Totó- vive en Giancaldo con su madre y su hermana, esperando que su padre, desaparecido en Rusia, regrese a casa. Totó es monaguillo de Don Adelfio, párroco de la ciudad y gerente del único cine, Cinema Paradiso. Periódicamente, Don Adelfio asiste a un preestreno de las películas, censurando todas las escenas consideradas indecorosas para sus conciudadanos, como aquellas en las que los protagonistas se besan. Salvatore, fascinado por el cine, asiste en secreto a las proyecciones privadas para el sacerdote, intentando en vano robar algunos fragmentos de las películas cortadas por el proyeccionista Alfredo.

Alfredo es un analfabeto con el que Totó entabla amistad, a pesar de la oposición de su madre y del malhumor del propio Alfredo. Con motivo del examen de fin de estudios, al que también se presenta Alfredo, Totó consigue finalmente llegar a un acuerdo con él: el chico le dará a Alfredo la solución del examen y a cambio el hombre tendrá que enseñarle a ser proyectista. De mala gana, Alfredo acepta.

Así, Totó comienza a asistir regularmente a la cabina de proyección de Cinema Paradiso, convirtiéndose en el ayudante de Alfredo. Una noche, el último día de la proyección de la película I pompieri di Viggiù, el número de espectadores en la sala es tan grande que la mayoría se queda fuera del cine. Como el público clama por ver la película, Alfredo, en un gesto de sonriente magnanimidad, decide satisfacerlos proyectando la película en la pared de un edificio de la plaza. Sin embargo, durante la proyección, Alfredo se distrae y la película se incendia, generando un incendio que rápidamente se extiende primero a la cabina de proyección y luego a todo el edificio. Alfredo, al intentar apagar el fuego, es golpeado en la cara por una llama y cae inconsciente. Sólo la intervención de Totó, que lo saca del cine, consigue salvar su vida, pero el proyeccionista se queda ciego para siempre.

Gracias a Spaccafico, un aldeano que se hizo millonario tras ganar en el Sisal, el cine fue reconstruido y rebautizado como Nuovo Cinema Paradiso. Comienza una nueva era, en la que Totó asume el papel de proyeccionista de forma permanente, proyectando películas que ya no están censuradas.

De adolescente, Salvatore conoce a Elena, hija del director del banco local, frente a la escuela y se enamora de ella. Al principio no tiene el valor de declarar su amor, pero confía sus sentimientos a Alfredo. Al final, gracias a la complicidad de su amigo, Salvatore revela su amor por Elena sustituyéndose por Don Adelfio en el confesionario de la iglesia, pero la chica le dice que no está enamorada de él. Salvatore no se desanima y continúa obstinadamente su noviazgo, que se prolonga durante varios meses. Al final, Elena, impresionada por su perseverancia, cede al cortejo de Salvatore.

La relación entre ambos cuenta con la oposición de la familia de Elena, que no cree que Salvatore sea lo suficientemente bueno para su hija; el padre de Elena, en particular, quiere comprometerla con el hijo de uno de sus colegas. Cuando se acerca el verano, los padres de Elena deciden pasar una temporada en la Toscana en un intento de alejar a su hija de Salvatore. Pero los sentimientos entre los dos no se desvanecen y Elena encuentra la manera de volver a Sicilia con una excusa. Sin embargo, al final del verano, Salvatore recibe una llamada para servir en el ejército en Roma. Antes de marcharse, concierta una cita con Elena para una última vez en el Cinema Paradiso, pero ella no se presenta. Salvatore corre a su casa y descubre que la familia de Elena se ha mudado, sin dejar ninguna dirección.

Durante su estancia en el ejército, Salvatore intenta en vano localizar a Elena, cuyo rastro parece haberse enfriado. De vuelta a Giancaldo, encuentra a Alfredo, que apenas ha salido en su ausencia y apenas ha hablado con nadie. El viejo proyectista, amargado y decepcionado por la vida, aconseja a Salvatore que abandone el pueblo para siempre y vuelva a Roma, cuidando de sí mismo y de sus propias aspiraciones. Incluso en su última despedida en la estación de tren de Giancaldo, Alfredo repite su consejo a Salvatore: el joven debe olvidarlo todo, no pensar en él y no volver jamás.

Con este último recuerdo, la mente de Salvatore vuelve al presente. A pesar de ser un director famoso y de éxito, se da cuenta de que está profundamente solo e insatisfecho con su vida. Así que decide volver a su ciudad natal, para hacer las paces con su pasado y presentar sus últimos respetos a su amigo Alfredo. En Giancaldo, Salvatore fue recibido con afecto por su madre, que le había seguido a Roma, y con respeto y admiración por sus paisanos. Durante el funeral de Alfredo se encuentra con Spaccafico, que le dice que el Nuovo Cinema Paradiso, cerrado desde hace seis años, será demolido en unos días para dar paso a un aparcamiento.

Salvatore decide quedarse unos días más en Giancaldo. Durante su estancia se fija en una joven que guarda un extraño parecido con Elena. Convencido de que tiene algún parentesco con su novia de la infancia, Salvatore la sigue hasta su casa, donde descubre que el padre de la chica es "Boccia", un antiguo amigo del colegio, al que había preguntado cuando estaba en el ejército y después por Elena, pero en vano. Salvatore va al bar de enfrente del piso, busca en su memoria el apellido del hombre y, con la ayuda de una guía telefónica, marca el número de la casa. Elena responde: la mujer se ha convertido en la esposa de "Boccia", ahora un conocido político, y la niña no es otra que su hija. Salvatore pide conocerla en persona, pero ella se niega.

Una noche, mientras Salvatore pasea por un muelle, Elena le alcanza. Los dos tienen la oportunidad de hablar del pasado. Cuando Salvatore la acusa de no haberse presentado en el cine, Elena le revela que, en efecto, había ido al cine pero que, por haber tenido que discutir con sus padres, había llegado tarde; en el cine había encontrado a Alfredo, que le había recordado que las pasiones se convierten pronto en humo y que respetara el talento de Salvatore, lo que el joven no podía haber seguido atándose tan pronto a un amor frustrado. Alfredo no se lo había dicho a su joven amigo, pero Elena le había dejado una nota en secreto. Después de estas revelaciones, los dos vivieron un último -y único- encuentro de pasión. Salvatore comprende que la mujer no había estado menos enamorada que él, y que había estado dispuesta a todo, pero que había ocultado fatalmente el mensaje de Elena, escrito en el reverso de una de las notas que acompañaban a las bobinas de las películas que se proyectaban: y de hecho lo redescubre entre los documentos amarillentos y polvorientos.

Antes de abandonar Sicilia, Salvatore recibe de la viuda de Alfredo un rollo de película que el proyeccionista le había legado; también asiste, impotente, a la demolición del Nuovo Cinema Paradiso. De vuelta a Roma, hace proyectar el carrete y descubre el último regalo de Alfredo: un montaje de las escenas de besos censuradas para Don Adelfio a lo largo de los años.