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O filme começa com uma senhora tentando avisar seu filho, que mora em Roma, da morte de um amigo querido. Quando o filho chega em casa, é avisado por sua amante que Alfredo havia morrido, e ele então começa a divagar, a retornar à cidadela onde viveu. Recorda os tempos de infância, quando era coroinha da Igreja, e era apaixonado pela cabine de projeção do Cinema Paradiso (que funcionava dentro da Igreja). O projecionista era Alfredo, que não deixava o menino chegar perto porque naquela época as películas se incendiavam facilmente. Mesmo querendo dar uma de durão, Alfredo se torna grande amigo de Salvatore, apelidado de Totó. Este, por sua vez, sempre capturava alguma película censurada pelo padre da cidade e guardava carinhosamente dentro de uma lata. Um dia, porém, as películas da lata pegaram fogo e quase mataram sua irmã, causando grande cólera na mãe (frustrada por seu marido não ter retornado da Rússia na Segunda Guerra Mundial). Alfredo promete não deixar o menino entrar no Cinema Paradiso novamente, mas é forçado a contrariar sua promessa quando se vê diante de um teste no primário da escola e Totó o ajuda a responder. O menino aprende a mexer nas películas rapidamente, é muito esperto.
Então, em um dia de projeção, o padre decide fechar o Cinema-Igreja mais cedo, deixando os espectadores furiosos. Alfredo demonstra ao menino que pode projetar a película do lado de fora da Igreja. Salvatore vai assistir à película, e por um descuido de Alfredo, esta pega fogo. Totó consegue salvar Alfredo do incêndio, sem conseguir evitar que o amigo ficasse cego. Um empresário decide reconstruir o Cinema, e o novo projecionista seria Totó, que continua sendo orientado por Alfredo, e cresce.
Aos seus quinze, dezesseis anos, Totó conhece Elena e se apaixona pela moça. Inspirado por uma fábula de Alfredo, ele a espera por mais de três meses todas as noites até que ela abra a janela, o que não acontece. Frustrado, Totó volta ao cinema e por lá fica até que Elena aparece e eles começam a namorar. Tempos depois, o pai de Elena flagra os dois juntos, e acaba afastando-os, mandando Elena para a Universidade. Totó, desolado, vai fazer o serviço militar em Roma, e um grande pesar acontece: o pai de Elena fora transferido e a moça sumira no mundo. Totó volta para sua cidade e reencontra com Alfredo, que insiste para que Salvatore vá embora. Dolorosamente, o jovem acata o conselho do amigo e não volta nunca mais, até o dia da morte de Alfredo.
Salvatore reencontra velhos amigos, vê o Cinema Paradiso ser demolido com grande pesar, pede desculpas à mãe, e decide voltar à Roma com os dois presentes que Alfredo lhe deixara, um deles sendo um recipiente de películas circular. Totó manda reproduzirem em um cinema, e lá vê todas as películas censuradas que pensava ter perdido, e se emociona. O filme termina com as mais diversas cenas românticas clássicas do cinema.