フロリダで生まれ育ったジェイク(エイサ・バターフィールド)は、周囲に馴染めない孤独な少年。そんな彼の唯一の理解者である祖父が、謎めいた死を遂げる。祖父の遺言に従って小さな島を訪れたジェイクは、森の奥で古びた屋敷を発見。そこには、美しくも厳格なミス・ペレグリン(エヴァ・グリーン)と奇妙な子どもたちが暮らしていた。やがて彼らと心を通わせ、その不思議な能力を知るジェイク。しかもなぜか、彼らは毎日、1940年の9月3日を繰り返していたのだ。