Pekín, en la actualidad. Durante el día, Mao Dabing (el Pequeño soldado Mao) trabaja de repartidor de agua embotellada, pero su pasión es ir al cine de noche. Una soleada tarde después del trabajo, Dabing se dirige hacia el cine a toda prisa en su bicicleta cuando, de repente, choca contra un montón de ladrillos en un callejón. Mientras se levanta, una joven que ha presenciado el incidente agarra un ladrillo y le golpea con él en la cabeza…

Mao Dabing despierta en el hospital con la cabeza vendada. La policía le informa de que se ha quedado sin trabajo y que su exjefe quiere que pague la bicicleta rota. Cuando Dabing ve por casualidad a la joven que lo golpeó, la emprende furiosamente contra ella. Pero la mujer parece no hacerle caso, y le da las llaves de su apartamento junto con una nota en la que le pide que cuide de su pecera.

Al entrar en la habitación de la joven, Mao Dabing queda impresionado al descubrir que es un santuario del cine, repleto de pósters, fotogramas y objetos relacionados con el séptimo arte. Entre esos objetos encuentra un diario y comienza a leerlo.

Ningxia, alrededor de 1971. Jiang Xuehua es una atractiva joven que sueña con actuar en los escenarios. Le encanta el cine y es una gran admiradora de la veterana Zhou Xuan, una artista de antes de la Segunda Guerra Mundial. Xuehua trabaja leyendo anuncios para el Estado chino y noticias en el sistema de megafonía de su ciudad. También participa en un grupo de teatro local para perseguir su sueño de actuar. Un buen día descubre que está embarazada.

Cuando su amante la abandona, Xuehua se plantea tener a su hijo en secreto y darlo en adopción. También considera la posibilidad de suicidarse. La que ella cree que será la última noche de su vida, Xuehua va a ver una película extranjera que proyectan en el cine al aire libre de la ciudad. Durante la proyección se pone de parto, y Pan Daren, el proyeccionista, la ayuda. El bebé es una niña a la que llama Ling Ling (la autora del diario en el que está escrita la historia de esta película).

Durante unos interrogatorios públicos, Xuehua es recriminada por negarse dar el nombre del padre de su hija y pierde el empleo. Pero tras la muerte del presidente Mao Tse-Tung y la caída de «La Banda de los Cuatro», la vida vuelve rápidamente a la normalidad y ella y su hija son aceptadas por la comunidad. Ling Ling hereda la pasión de su madre por el cine, y las dos acuden con frecuencia al cine al aire libre del tío Pan.

La pesadilla de Ling Ling es Xiaobing (el Pequeño soldado), su nuevo compañero de clase, un chico problemático que acaba de ser trasladado desde otra escuela para ser sometido a reeducación. Sin embargo, tras varios percances ambos acaban haciéndose buenos amigos. Xiaobing se queda incluso varias noches en casa de Xuehua para escapar de su padre, que lo maltrata. Pero un buen día mandan a Xiaobing a vivir con su abuelo a la lejana ciudad de Anhui. Como regalo de despedida, regala a Ling Ling sus «prismáticos mágicos», con los que, según él, se pueden ver películas imaginarias.

Ling Ling se queda horrorizada cuando de repente su madre decide casarse con el tío Pan, y más aún cuando al año siguiente tienen un hijo, al que llaman Bing Bing. Los padres de Ling Ling miman y consienten a su nuevo hijo, y esto provoca en ella cada vez más celos y resentimiento. Cuando ambos niños son admitidos para estudiar en la Escuela de Formación para Jóvenes, donde preparan a estrellas en ciernes, y el tío Pan y su madre sólo pueden pagar la matrícula de uno de ellos, el elegido es Bing Bing.

El auge de la televisión trae consigo el declive del cine, y el cine del tío Pan se ve obligado a cerrar. La noche de la última proyección, Xuehua le dice a Ling Ling que se quede en casa estudiando, y cuando ella protesta la encierra. Sin embargo, Bing Bing se cuela en la casa con las llaves para liberarla. Juntos se suben a una torre de agua para ver el pase, pero Bing Bing cae y muere en el accidente. El tío Pan golpea con furia a Ling Ling en la cabeza y le causa una lesión irreparable en el oído...

Pekín, en la actualidad. El diario deja a Mao Dabing anonadado. Él es Xiaobing, el niño del diario, y Ling Ling es su mejor amiga de aquel año que pasó en el colegio de Ningxia. La policía le dice que Ling Ling está recibiendo tratamiento psiquiátrico, y le explica por qué ella le golpeó en el callejón: al chocar con los ladrillos, Dabing había atropellado al perro de Ling Ling, que había muerto como consecuencia. En el balcón que hay fuera de la habitación de Ling Ling, Mao Dabing encuentra los prismáticos que le regaló, que apuntan de forma permanente en dirección a una casa cercana. A través de ellos ve dos caras muy conocidas...