Часть первая. Моя Устя

1938 год. Симу Крупицыну, неказистую, веснушчатую девочку, посредственную ученицу, объект насмешек своего класса, а особенно Ромки Каштана, приглашают сниматься в кино. Ей предлагают роль партизанки Усти Бирюковой в фильме про Наполеона. Роль Дениса Давыдова исполняет режиссёр фильма, народный артист СССР Александр Дмитриевич Ращепей. Родные Симы, особенно муж её старшей сестры, которого в семье зовут Настройщиком, приходят в восторг: сниматься в кино у такого известного режиссёра — золотое дно, тем более, что отец Симы почти ослеп после фронтового ранения, и семья Крупицыных нуждается в деньгах. У одноклассников Сима начинает пользоваться популярностью.

Устя Бирюкова, реальное историческое лицо, была крепостной актрисой у графа Кореванова. На один из спектаклей прибывает лихой гусар Денис Давыдов и знакомится с Устей. Спустя некоторое время, в пылающей Москве, Устя встречается с Наполеоном. Волею случая Устя вырывается из Москвы, попадает в партизанский отряд Дениса Давыдова, сражается с врагом, а потом снова возвращается к своему барину и играет в театре. Её военных заслуг граф не оценивает, также как и царь — заслуг простого народа.

Для репетиций Расщепей приглашает Симу домой. Там она знакомится с его женой Ириной Михайловной и домработницей Аришей Шубиной. Во время репетиций знаменитый режиссёр досконально прорабатывает каждый эпизод, объясняет его суть.

Потеряв из-за кино сына, Расщепей привязывается к Симе, которая отвечает ему взаимностью. Он прививает девочке свою любовь к астрономии, подтягивает её по математике. Сима видит, как не жалея себя, забыв о больном сердце, Ращепей относится к работе.

Наконец фильм закончен. После всесоюзного успеха Расщепей рассчитывает снять другую картину и забывает о Симе, которую потянуло в мир кинематографа. Сима встречает режиссёра Причалина, который не может простить Расщепею, что он вместо его племянницы взял в кино Симу. Причалин предлагает девочке роль в своём фильме. Узнав об этом, Расщепей пытается её отговорить: Причалин — штамповщик, он снимает пошлые, бездарные фильмы, а Симе учиться нужно. Но девочка его не понимает, обижается и рассказывает об этом Причалину. Причалин обещает работу и Настройщику.

Чувствуя свою вину за то, что ввёл девочку в мир кино, Расщепей приходит к Симе домой и пробует поговорить с её родителями. Родители согласны с ним, но Настройщик становится на сторону Симы: шанс нельзя упускать, тем более, что для их скромной семьи это солидный доход.

Сима начинает сниматься у Причалина. Он не умеет объяснять и постоянно на неё кричит. Когда девочка приводит ему в пример методы Расщепея, Причалин только злится. Увидев отрывки фильма, Расщепей уговаривает Симу уйти из картины, что вызывает негодование Причалина. С Расщепеем случается сердечный приступ, тем не менее Причалин хочет выступить на комитете против него.

Услышав это, Сима пишет письмо в ЦК с намерением защитить Расщепея, но тяжело заболевает бронхитом, попав под дождь. Во время её болезни приезжает комиссия. Фильм Причалина подвергается критике, и его отстраняют от работы.

Сима записывается в кружок юных астрономов и уезжает летом в подмосковный пионерский лагерь. По просьбе ребят, Расщепей приезжает побеседовать с ними у пионерского костра. Великий режиссёр рассказывает пионерам о гражданской войне и своём увлечении астрономией. Прощаясь, он признаётся Симе, что у него большие проблемы с сердцем.

Через месяц по радио сообщают о смерти народного артиста СССР Александра Дмитриевича Расщепея. Его вдова отдаёт Симе письмо, в котором он пишет, что письмо Симы для ЦК попало к нему, и он его спрятал, чтоб не беспокоить больших людей. Он просит передать это письмо после его смерти, также он наказывает Симе жить смело и вспоминать о нем в дни её великих противостояний.

Остаток каникул Сима проводит в Туркмении, у своего брата. В день великого противостояния Марса она знакомится с товарищем брата Амедом.

Часть вторая. Свет Москвы

1941 год. Всё это время Сима переписывается с Амедом, они обмениваются впечатлениями от прочитанных книг и просмотренных фильмах. Переписка Симы с Амедом вызывает ревность у её одноклассника Ромки Каштана. 22 июня 1941 года Амед собирается приехать в Москву.

21 июня Сима в качестве пионервожатой отряда из астрономического кружка собирается в однодневный поход. Ребята на лодках приплывают на островок, который находится неподалёку от бывшей усадьбы графа Кореванова. Год назад они в потайном месте оставили записки с планами на следующий год. Теперь ребята хотят их отыскать, но записки исчезли. Подозрение падает на Ваську Жмырёва, местного хулигана, всё время посмеивающегося над ребятами и Симой. Собравшись домой, они видят, что пропала лодка. Теперь они остались на островке без продовольствия. Один из мальчиков, Игорь Малинин, приносит рыбу, которую он наловил в заповедном месте. Но тут появляется старый рыбак, из сетей которого Игорь взял рыбу. Несмотря на то, что ребята осуждают Игоря и просят прощения, старик обижается и уезжает, не обращая внимания на просьбу сообщить кому-нибудь о их местонахождении.

Проходит день, ребята остаются на острове ещё на одну ночь. Им кажется странным, что в Москве погасли все огни. Наконец за ними приезжает катер, который послали всполошившиеся родители. От прибывших ребята узнают страшную весть: началась война.

Дома Сима находит письмо от Амеда, которому пришлось уехать из-за войны. Сосед Симы, капитан Малинин, отец Игоря, уезжая на фронт, просит её присмотреть за сыном, так как мальчик остаётся совсем один.

В первые дни войны Сима со своими ребятами дежурит на крыше, сбрасывая зажигалки. Ромка Каштан находится в истребительном батальоне и в свободное время навещает Симу. Во время одного из налётов погибает жена Расщепея. Для Симы, бережно хранившей о нём память, рвётся единственная ниточка, которая с ним связывает.

Враг всё ближе подходит к Москве, и Сима с пионерами эвакуируется, родители её пока остаются в городе. Поезд попадает под бомбёжку, подолгу стоит на станциях, забитых поездами с фронта, начинаются проблемы с продуктами. Однажды выясняется, что это Игорь ради шутки угнал лодку с островка. Утром пристыженный ребятами мальчик исчезает, оставив записку. Ему стыдно, и он отправляется на фронт загладить свою вину.

Сопровождающая ребят учительница даёт телеграммы на всех станциях, а Сима чувствует свою вину перед отцом Игоря. Она готова вернуться домой, чтоб найти мальчика, но на одной из станций случайно встречает Амеда, который отправляется на фронт, защищать Москву. Собрав свои вещи, Сима садится в эшелон Амеда. Под Москвой они расстаются: Амед отправляется в действующую армию, а Сима, помыкавшись на станции, садится в пассажирский поезд. Через потайной лаз на пропускном пункте Сима попадает в осаждённый город.

Вместо эвакуированных родителей, она застаёт поселившегося у них в квартире майора Проторова. Они решают жить вместе и помогать друг другу. От коменданта Сима узнаёт, что Игорь вернулся и поселился на чердаке, так как квартира Малининых опечатана. Но когда его привели в комендатуру, он снова сбежал.

7 ноября, в день Парада на Красной площади, в комендатуру дома приходит записка от бывшей домработницы Ращепея Ариши Шубиной, жительницы подмосковного села Кореваново, в котором находится дом-музей графа Кореванова. Она сообщает, что Игорь находится у неё, и он тяжело болен. С помощью Проторова, Сима получает пропуск на проезд в прифронтовую зону, но возле деревни её останавливает часовой: вход закрыт. С помощью своего старого знакомого, неприятного ей Жмырёва, Сима попадает в деревню и находит Игоря, ослабевшего после болезни. Жмырёв забрал у него тёплые вещи. Девочка решает везти его рано утром в Москву, но ночью в дом заходят фашисты. Они выселяют Симу, Игоря и Аришу в пристройку. На вырванных из тетради листках Игорь и Сима пишут листовки в поддержку Красной Армии, и Игорь их расклеивает.

С продуктами плохо, Игорь слабеет. В один из декабрьских вечеров Игорь с Симой замечают, что фашисты уезжают, но перед отъездом они собираются поджечь музей. Пытающегося помешать им Игоря они избивают, но тут начинается бомбёжка. Пользуясь всеобщим замешательством, Сима с Игорем убегают в лес. С трудом, таща на себя ослабевшего Игоря, Сима выходит из леса на поляну. Там она встречает бойцов из взвода Амеда. Они сообщают ей ужасную весть о его гибели. Бойцы помогают детям вернуться в Москву. Рома Каштан, который уже ушёл на фронт, пишет Симе письма.

Проходит три года, война заканчивается. Сима учится на астрономическом факультете. 30 апреля 1945 года, в день её рождения, у Крупицыних собираются друзья. Среди них её одноклассник, старый друг Рома Каштан, с которым она мечтает остаться вдвоём.