Marie-Laure LeBlanc et son père Daniel vivent à Paris où il est serrurier qui garde la trace 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 un modèle du quartier où ils vivent, avec chaque plaque d’égout, bâtiment, rue et ruelle représentés. Le modèle complexe permet à Marie-Laure de mémoriser la zone et de la parcourir en toute confiance et sans crainte. Un menuisier remarquablement talentueux, il crée également des énigmes pour elle chaque année le jour de son anniversaire qui impliquent jusqu’à une douzaine de mouvements ou plus à résoudre, et elle parvient à le faire en quelques minutes à chaque fois à son grand étonnement.
À l’approche de la guerre, les conservateurs du musée sont obligés d’emballer les pièces de valeur et de les mettre en sécurité. L’un de ces objets est une pierre précieuse qui est conservée en toute sécurité derrière un certain nombre de portes et qui n’est jamais exposée. Appelé la mer des flammes, le gros diamant bleu a une occlusion rouge en son centre et un passé chargé d’histoire. On dit que la pierre a le pouvoir de garder son propriétaire en sécurité tout en provoquant la ruine et la mort autour d’eux. Chaque fois qu’il a changé de mains, sa providence s’est répétée. Avant de la déplacer, il est demandé à Daniel de créer trois ressemblances de la pierre, puis chacune des quatre pierres est donnée à quatre coursiers de confiance, aucun ne sachant si celle qu’ils ont est la vraie ou non dans l’espoir qu’elle puisse être déplacé en toute sécurité.
Daniel reçoit une des pierres juste avant que lui et Marie-Laure ne quittent Paris pour Saint-Malo. Avec la guerre qui se rapproche d’eux, le voyage est périlleux, et une grande partie se fait à pied. Marie-Laure a peur de quitter son domicile et la sécurité de la région qu’elle connaît, mais croit que son père la gardera en sécurité et tient sa promesse de ne jamais la quitter. Le grand-oncle Etienne et Madame Manec les accueillent à leur arrivée et leur donnent gîte 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 la Maison des Enfants à Zollverein, en Allemagne. Werner apprend par lui-même les bases de l’électronique, en s’inspirant d’une émission 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 est connue, il est invité à auditionner pour fréquenter les National Political Institutes of Education. Il est admis, mais est misérable et aspire à retourner chez sa sœur et la seule maison qu’il connaisse. Au lieu de cela, il est éduqué et distingué pour ses capacités électroniques, invité à 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, ils étaient tous des faux, mais le sergent-major Reinhold von Rumpel est motivé pour trouver ce prix particulier. Von Rumpel est en train de mourir, le cancer se propage dans son corps, et il espère que la pierre a le pouvoir de le maintenir en vie. Etienne est détenu et Marie-Laure est seule à la maison quand 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 construit et utilisé pour relayer les messages de la résistance. Il passe des jours dans la maison à chasser pendant que Marie-Laure se cache jusqu’à ce que Werner arrive, après l’avoir entendue diffuser à la place d’Etienne, et la sauve de von Rumpel en se rachetant un peu alors qu’il garde son identité en sécurité et l’aide à s’échapper après avoir appris qu’il était son oncle qui l’avait inspiré enfant avec ses émissions.
Deux enfants des côtés opposés de la guerre se trouvent au milieu 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.