París, 16 y 17 de julio de 1942. Durante la Redada del Velódromo de Invierno, que condujo a la detención y deportación de miles de judíos parisinos, la familia de Sarah Starzynski, de diez años, también fue capturada. Sin embargo, la niña se las arregla para esconder a su hermano menor Michel en un armario, encerrándolo y haciéndole prometer que esperará su regreso, pensando que puede salvarlo de la redada.

París, en la actualidad. Julia Jarmond es una periodista estadounidense que vive desde hace años en la capital francesa. Casada con el arquitecto Bertrand Tézac, tiene una hija adolescente, Zoe. El redactor jefe de la revista para la que trabaja le encarga un artículo sobre los acontecimientos del Velódromo de Invierno de Rastrille, que ya había cubierto para otra revista.

Julia comenzó así su investigación, descubriendo que la casa de sus suegros en el número 36 de la Rue de Saintonge, a la que estaba a punto de mudarse, había pertenecido a una familia de judíos que había sido deportada durante el Rastrellaamento del 16 y 17 de julio de 1942. Se dice que el Sr. y la Sra. Starzynski murieron en Auschwitz, mientras que no hay rastro de sus dos hijos en ningún documento relacionado con las deportaciones y muertes en los campos. Perturbada por la noticia, comienza a investigar, lo que le llevará a la vida de Sarah, que se relata en la película con numerosos flashbacks: la niña, tras ser encerrada en el Velódromo durante unos días, será llevada a un campo de transición del que conseguirá escapar junto a una amiga, ayudada por un guardia. Las dos niñas encontrarán refugio en una granja, pero poco después la amiga de Sarah morirá de difteria en la casa de dos ancianos que las han estado protegiendo. Finalmente, gracias a la misma pareja de ancianos, consigue volver a París con su hermano, aunque ya es demasiado tarde para salvarlo, pues el niño lleva días muerto en el armario.

Julia, que descubre que está embarazada y que, a diferencia de su marido, no desea abortar, iniciará la búsqueda de la mujer, en un intento de averiguar si sigue viva y de saber qué pasó con ella tras el final de la guerra.

Viajando de un lugar a otro para descubrir a los descendientes de Sarah, encuentra a su único hijo en Florencia, llamado William, que lo ignora todo: el verdadero motivo de la muerte de su madre, su verdadero apellido, el oscuro pasado de Sarah, que murió por suicidio debido a la profunda tristeza que sentía. Así, Julia decide reunirse con William en Florencia, pero el hombre, escandalizado e incrédulo sobre el pasado de su madre, decide dejar de escuchar la historia, que en su opinión "no es cierta", y no volver a ser contactado por Julia. Decepcionada y triste por lo sucedido, Julia regresa a París, intentando arreglar las cosas con su marido, pero al mismo tiempo pasando página, negándose a instalarse en el piso que era de los Starzynski con la familia y quedándose con el bebé que tanto deseaba. Mientras tanto, William visita a su padre (moribundo) para buscar respuestas. Está confundido, quiere la verdad y su padre le confiesa todo: la historia de Sarah es cierta. Le habla del pasado de su madre, del accidente de coche en el que murió (que en realidad fue un suicidio), del fuerte temor de la mujer que, tras el nacimiento de su hijo, lo bautizó inmediatamente, temiendo por su vida si era visto como judío. De hecho, Sarah nunca fue la misma después de descubrir a su hermano muerto en el armario. Algo en ella se apagó, se culpó por no haber podido salvar a su hermanito, hasta que decidió acabar con todo. Finalmente, el padre le entrega a su hijo todas las pruebas que le dejó su madre, incluido un diario escrito cuando era niño, con la llave dentro.

Pasan dos años: Julia, ya divorciada de su marido, se ha mudado hace un año con su hija mayor que estudia en la universidad y su otra hija, que ahora tiene dos años, a Nueva York. Se pone en contacto con ella William, que se siente culpable por haber sido grosero con ella. Pasan el día en el bar favorito de Sarah, tratando de aclarar el pasado. William le agradece a Julia que le haya hecho descubrir la verdad sobre su madre y que haya ayudado a su padre a marcharse sin guardar el dolor que llevaba arrastrando durante años.

Julia presenta a su hija a William, éste cree que la niña se llama Lucy, pero en realidad es el nombre de su marioneta. Se llama Sarah y William se emociona hasta las lágrimas con Julia. Todo ello presagia un nuevo comienzo juntos y, sobre todo, que la historia pueda ser contada a otras generaciones y nunca olvidada.