民国初年，上海至成都的铁路通行了。首班列车的启程引起了黑帮注意，因为上面全是富贵人家，于是他们勾结山贼准备中途劫车。专门偷鸡摸狗的程启天（洪金宝 饰）也打上了这趟列车的主意，为了能摸上列车，他决定炸毁家乡汉水镇前的一段铁路，然后乘机上车。不料程启天被当地保安队长曹卓坚（元彪 饰）认出他是通缉犯，于是想捉拿他归案。程启天侥幸躲过追捕，顺利炸毁了铁路。这正好帮了山贼一个大忙，他们开始团团围攻汉水镇。眼看家乡即将毁于山贼之手，程、曹两人决定联合起来共抗强敌。

在人生最最纯然且充满想象力的几年里，13岁的小女孩谢欣美（徐娇 饰）都与爷爷（曾江 饰）在深山里度过。古朴的小木屋和静寂迷人的夜空，是她记忆深处最遥远和笃定的依恋。可是终于有一天小美要离开这里，她随着爸爸（庾澄庆 饰）妈妈（刘若英 饰）回到城市生活。繁华的都市五光十色，却无法带给她些许的归属与感动。与小美有着类似地感受的是频繁随着父母搬家与转学的男孩周宇杰（林晖闵饰），相似的境遇与心境让他们走到一起，成为最要好的朋友。某一天，小美的爸爸妈妈选择分手，而她也终于决定回到深山，带着她的好朋友小杰，一同去仰望那久违已久的星空…… 本片根据著名绘本画家几米的同名原著改编。