Le monde est plongé dans les ombres terrifiantes de la Seconde Guerre mondiale, et deux jeunes vies, apparemment éloignées l'une de l'autre, commencent à suivre des chemins convergents. Marie-Laure LeBlanc, une jeune fille française aveugle, vit à Paris, son monde étant illuminé par les maquettes en bois complexes que son père, maître serrurier au Muséum d'histoire naturelle, fabrique minutieusement pour elle. Grâce à ces villes miniatures, elle apprend à naviguer dans les rues, le bout de ses doigts traçant chaque ruelle et chaque boulevard, construisant un paysage vivant dans son esprit. Son père lui apprend également l'existence de la Mer de Flammes, un diamant légendaire et maudit caché dans le musée, dont la rumeur dit qu'il confère à son possesseur l'immortalité, mais au prix de terribles souffrances pour ceux qu'il aime.
À des centaines de kilomètres de là, dans un sombre orphelinat allemand, Werner Pfennig et sa jeune sœur, Jutta, trouvent réconfort et émerveillement dans une radio déglinguée. Werner, prodige de l'électronique, parvient à capter des émissions en provenance de pays lointains, remplissant leur espace exigu de musique, d'informations et, surtout, de la voix d'un scientifique français qui parle de la lumière et des ondes invisibles qui traversent l'air. Cette voix éveille chez Werner une profonde curiosité, une soif de savoir qui transcende le sombre destin des mines qui attend la plupart des orphelins de sa ville.
Alors que le régime nazi resserre son étau, l'extraordinaire talent de Werner pour les radios est remarqué, ce qui le conduit dans une académie militaire d'élite. Là, il est formé pour repérer les transmissions ennemies, son oreille fine devenant une arme dans le conflit qui s'intensifie. Il est témoin de la brutalité et de l'endoctrinement, luttant contre les compromis moraux exigés par sa nouvelle voie, mais son esprit scientifique reste captivé par les courants invisibles des ondes. Pendant ce temps, Marie-Laure et son père fuient Paris juste avant l'occupation allemande, emportant avec eux non seulement leurs souvenirs, mais aussi la véritable Mer des Flammes, qui leur a été confiée pour qu'ils la gardent en sécurité. Ils se réfugient chez son grand-oncle excentrique Etienne dans la vieille ville fortifiée de Saint-Malo, un lieu qui deviendra bientôt un point focal de la guerre.
La vie à Saint-Malo devient une danse précaire entre l'existence quotidienne et les actes de défi tranquille. Le père de Marie-Laure continue à construire des maquettes, maintenant de Saint-Malo même, et cache le précieux diamant dans l'une des répliques de la maison d'Etienne. Lorsque son père est arrêté et emmené dans un camp de prisonniers, Marie-Laure se retrouve avec Etienne, un homme reclus hanté par ses expériences passées pendant la Première Guerre mondiale. Avec Madame Manec, une femme féroce qui organise la résistance locale, ils commencent à utiliser l'émetteur radio caché d'Etienne pour diffuser des messages illégaux à l'intention des forces alliées, un dangereux secret gardé en vie au cœur de la ville occupée.
Les années passent et les chemins de Marie-Laure et de Werner se rapprochent de plus en plus. Werner, devenu un jeune soldat, fait partie d'une unité chargée de traquer les radiodiffuseurs de la résistance, à travers une Europe déchirée par la guerre. Ses compétences sont inestimables, mais les horreurs dont il est témoin et auxquelles il participe pèsent lourdement sur sa conscience. Il s'accroche au souvenir des émissions qu'il a entendues autrefois avec Jutta, faible écho d'un monde différent, d'un moi différent. Son voyage le conduit finalement à Saint-Malo, au moment où les bombes alliées commencent à pleuvoir sur la ville, réduisant ses vieilles pierres en poussière.
Au milieu du chaos et de la destruction de la ville assiégée, leurs histoires s'entremêlent enfin. Marie-Laure, seule dans la maison de son grand-oncle, se retrouve piégée, la mer de flammes toujours cachée dans la maquette. Werner, lui aussi coincé dans une cave effondrée avec son unité, entend une mélodie familière, une transmission fantomatique provenant d'une radio cachée - le même programme scientifique qu'il chérissait dans son enfance, diffusé par Marie-Laure et Etienne. Ce son, un phare dans l'obscurité, allume quelque chose en lui, une lueur d'humanité qu'il croyait perdue.
Le sergent-major allemand Reinhold von Rumpel, un homme ravagé par le cancer et obsédé par la recherche du légendaire diamant de la Mer de Flammes, se rend lui aussi à Saint-Malo, croyant qu'il est en possession de Marie-Laure. Il fouille méticuleusement la maison d'Etienne, sa cupidité contrastant fortement avec la résistance et le courage tranquille de Marie-Laure. Werner, guidé par le signal radio et un besoin désespéré de rédemption, fait un choix qui défie ses ordres, risquant tout pour sauver la jeune fille aveugle qu'il n'a fait qu'entendre, une décision qui changera à jamais la trajectoire de leurs vies respectives au milieu des ruines de la ville.
