Marie-Laure LeBlanc et son père Daniel vivent à Paris, où il est serrurier et assure le suivi de milliers de serrures et de clés pour le Muséum national d’histoire naturelle. Lorsque Marie-Laure perd la vue à l’âge de six ans, son père lui construit une maquette du quartier dans lequel ils vivent, avec chaque plaque d’égout, bâtiment, rue et ruelle représentés. Cette maquette complexe permet à Marie-Laure de mémoriser le quartier et de s’y déplacer en toute confiance et sans crainte. Menuisier remarquablement talentueux, il crée également chaque année pour elle, le jour de son anniversaire, des puzzles qui nécessitent jusqu’à une douzaine de mouvements ou plus à résoudre, et elle y parvient à chaque fois en quelques minutes, à son grand étonnement.
Alors que la guerre approche, les conservateurs du musée sont obligés d’emballer les pièces de valeur et de les déplacer en lieu sûr. L’un de ces objets est une pierre précieuse qui est conservée en toute sécurité derrière un certain nombre de portes et n’est jamais exposée. Appelé la Mer de Flammes, le grand diamant bleu a une occlusion rouge en son centre et un passé historique. On dit que la pierre a le pouvoir de protéger son propriétaire tout en apportant la ruine et la mort à tous ceux qui l’entourent. Chaque fois qu’elle a changé de mains, sa providence s’est répétée. Avant de la déplacer, on demande à Daniel de créer trois imitations de la pierre, puis chacune des quatre pierres est remise à quatre coursiers de confiance, aucun d’eux ne sachant si celle qu’ils ont est la vraie ou non dans l’espoir qu’elle puisse être déplacée en toute sécurité.
Daniel reçoit une des pierres juste avant que Marie-Laure et lui ne quittent Paris pour Saint-Malo. La guerre s’approchant, le voyage est périlleux et se fait en grande partie à pied. Marie-Laure a peur de quitter sa maison et la sécurité de la région qu’elle connaît, mais elle est convaincue que son père la protégera et tient sa promesse de ne jamais la quitter. Le grand-oncle Etienne et Madame Manec les accueillent à leur arrivée et leur offrent abri et nourriture. Daniel garde la pierre en sécurité et commence à construire un autre modèle pour Marie-Laure, lui promettant que lorsqu’il sera en sécurité, il l’emmènera dehors.
Werner Pfennig et sa sœur Jutta sont des orphelins qui vivent dans une maison d’enfants à Zollverein, en Allemagne. Werner apprend seul les bases de l’électronique, inspiré par une émission de radio animée par un Français. Bientôt, il construit ses propres radios et augmente leur portée et leur puissance au lieu de simplement les réparer. Lorsque la nouvelle de ses prouesses se répand, il est invité à passer une audition pour intégrer les Instituts nationaux d’éducation politique. Il est admis, mais il est malheureux et aspire à retourner chez sa sœur et dans le seul foyer qu’il connaisse. Au lieu de cela, il est éduqué et sélectionné pour ses capacités électroniques, on lui demande de créer un émetteur-récepteur qui leur permettrait de localiser les transmissions radio illégales. Lorsqu’il y parvient, il est rapidement enfilé dans un uniforme et envoyé pour chasser et détruire tout ce qu’ils peuvent trouver.
Le père de Marie-Laure est arrêté et envoyé dans un camp de travail, mais la pierre reste cachée dans la maquette de la maison d’Etienne où Marie-Laure finit par la découvrir. Un autre homme est à la recherche de la légendaire Mer de Flammes et parvient à localiser trois des quatre pierres qui ont quitté le musée. Malheureusement, elles étaient toutes fausses, mais le sergent-major Reinhold von Rumpel est motivé pour trouver ce prix particulier. Von Rumpel est mourant, un cancer se propage dans son corps, et il espère que la pierre a le pouvoir de le maintenir en vie. Etienne est arrêté et Marie-Laure est seule à la maison lorsque von Rumpel arrive, toujours à la recherche de sa pierre. Elle se cache dans le grenier avec la radio et l’émetteur qu’Etienne a construits et utilisés pour transmettre des messages à la résistance. Il passe des jours dans la maison à chercher tandis que Marie-Laure se cache jusqu’à ce que Werner arrive, ayant entendu son émission à la place d’Etienne, et la sauve de von Rumpel se rachetant un peu en gardant son identité en sécurité et l’aide à s’échapper après avoir appris que c’était son oncle qui l’avait inspiré étant enfant avec ses émissions.
Deux enfants de camps opposés se retrouvent au milieu de la guerre et se souviennent l’un de l’autre toute leur vie. Doerr donne vie à ces enfants à une époque où la paix semble impossible et la survie improbable.