Le film commence à Rome, dans les années 1980. Salvatore (Salvatore adulte est joué par Jacques Perrin), cinéaste en vogue mais parfaitement blasé, vient d'apprendre la mort de son vieil ami, Alfredo Philippe Noiret), le projectionniste, qu'il n'a pas revu depuis qu'il a quitté la Sicile pour n'y jamais revenir. Avec le souvenir d'Alfredo, c'est toute son enfance qui remonte à la surface : son village natal, Giancaldo, en Sicile, quand on l'appelait Toto et qu'il partageait son temps libre entre l'église (où il était enfant de chœur) et la salle de cinéma paroissiale, où régnait Alfredo, le projectionniste qui, au travers des films qu'il projetait, lui apprenait la vie.
À la fin des années quarante, Salvatore, que l'on surnomme Toto, vit pauvrement avec sa sœur et sa mère dans l'attente du retour de son père, envoyé combattre en Russie. Il est enfant de chœur pour Don Adelfio, à la fois curé et gérant de la salle de cinéma paroissiale, le «Cinema Paradiso». En tant que curé, il exerce une censure aussi ridicule que cocasse en faisant couper (au sens propre : les passages censurés sont coupés au ciseau sur la pellicule) par son projectionniste toutes les scènes qu'il juge obscènes (en particulier les scènes de baisers).
Fasciné par les films et le cinéma, Totò s'introduit en secret dans la salle et vole quelques morceaux de pellicule coupés par Alfredo. Au début, celui-ci chasse l'enfant de la cabine de cinéma mais, peu à peu, une extraordinaire amitié naît entre eux et il l'initie au métier. Un jour, la pellicule, extrêmement inflammable à l'époque, prend feu, et Alfredo est pris au piège dans la cabine de projection. Toto, bien qu'il ne soit qu'un enfant malingre, lui sauve la vie en le tirant comme il peut hors de la cabine en feu. Mais Alfredo en restera défiguré et, devenu aveugle, il cèdera sa place à l'enfant qui, malgré son jeune âge, le remplace en tant que projectionniste. C'est pour lui le début d'une nouvelle aventure. Le curé, ne pouvant demander à un enfant de couper les scènes qu'il considère comme immorales, lui laisse désormais la bride sur le cou et les spectateurs de Giancaldo voient pour la première fois de leur vie une scène de baiser au cinéma.
Pendant ce temps, Totò est devenu un bel adolescent (il est alors interprété par Marco Leonardi, un acteur inconnu en France mais qui a, heureusement pour lui, poursuivi une carrière cinématographique en Italie.) Salvatore fait la connaissance d'Elena, fille de bourgeois aisés et, malgré son inexpérience et leur différence de condition, il s'en fait aimer. Mais il doit partir au service militaire et il perd toute trace d'Elena qui a déménagé et dont les parents interceptent son courrier.
De retour à la vie civile, revenu à Giancaldo, Salvatore rend visite à Alfredo, qui lui fait promettre d'abandonner la Sicile pour toujours, et d'aller faire sa vie à Rome. On comprend qu'en ne revenant pas pendant trente ans dans son village de naissance, Salvatore/Toto est resté fidèle au dernier conseil d'Alfredo. Salvatore, malgré une carrière réussie dans le cinéma n'est pas satisfait de sa vie.
L'enterrement d'Alfredo est pour lui l'occasion de revoir son village défiguré par le progrès. Le Cinéma Paradiso, où il a tant de souvenirs, abandonné depuis des années, est en ruine et il est sur le point d'être démoli. On pense un moment que Salvatore, qui est devenu un riche producteur, va le racheter et le restaurer mais il arrive trop tard et il ne peut qu'assister impuissant à sa démolition.
La fin désabusée de ce film évoque un autre très beau film du même réalisateur : La légende du pianiste sur l'océan adapté du livre "Novecento pianiste" d'Alessandro Baricco, dont j'ai parlé ici.
La prestation de Philippe Noiret (Alfredo, le projectionniste) est magnifique mais plus encore celle du garçonnet, Toto, superbe acteur en herbe (Salvatore Cascio) qui, malgré son talent extraordinaire, n'a pas "percé" du moins dans notre pays.