로마에서 영화 감독으로 활약 중인 중년의 토토(재끄스 페린 분)는 어느 날 어머니(푸펠리아 마지오 분)로부터 고향 마을의 영사 기사 알프레도(필립 느와렛 분)의 사망 소식을 전해 듣는다. 어느덧 그는 추억이 가득한 그 시절로 돌아가는데.
2차대전 직후인 이탈리아 시칠리아 섬의 작은 마을. 이 마을에는 휴식 공간인 광장이 있고 그 광장에는 ‘시네마 파라디소’라는 낡은 영화관이 있다. 이 마을 소년 토토(살바토르 카스치오 분)는 학교 수업이 끝나면, 곧장 성당으로 달려가 신부님의 일을 돕는다. 토토가 이 일을 좋아하지 않으면서 하는 이유가 있다. 바로 영화를 볼 수 있기 때문이다. 이 시절의 이 마을 영화관에서 상영하는 영화는 모두 신부가 검열을 하게 되는데 웬만한 키스씬은 모두 삭제가 된다.
토토의 어머니(안토넬라 아티리 분)는 전쟁으로 남편을 잃은 슬픔과 가난에의 생활고로 인해서, 그런 토토를 항상 꾸짓는다. 알프레도는 영사기사를 천직으로 알고 있지만, 어린 토토가 영사실에서 어깨 너머로 영사기술을 배우는 것을 싫어한다. 부활절도, 크리스마스도, 휴일도 없는 영사실에 갇혀서 영화만을 대하는, 영사기사 생활의 고독과 허상을 누구보다도 알프레도는 잘 알고 있기 때문이다.
고인이 된 늙은 기사의 장례식에 세계적 영화감독이 되어 마을로 돌아온 그는 자기에게 넘겨진 유물을 통해 마침내 영화에 미쳐 살아온 자신의 꿈이 그와 더불어 실현된 것을 깨닫게 된다. 그리고 이제는 늙어버린 엘레나(Elena: 브리짓 포세이 분)와도 재회하여, 그동안 보냈던 수 많은 편지들이 서로에게 전달되지 못한 안타까움의 눈물을 흘린다.
그 시네마 천국 극장도 철거되고 이제 세계적 영화감독이 된 중년의 토토는 알베르토가 죽으면서 선사한 한개의 필림통을 받고 돌아온다. 초현대식 극장에서 토토는 홀로 알베르토가 남겨준 필림을 감상한다. 어린시절 영사실 창너머로 훔쳐보던 신부에 의해 수 많은 캇트된 영화의 키스 장면들. 세계적 영화감독이 된 지금의 토토는 그 필림들을 보면서 그때의 시절에 감격을 억누르지 못한다.
