Flere skoleungdommer og foreldrene deres møtes på en astronomikonferanse i en ørkenby på 1950-tallet. Blant disse er en enkemann og alenefar, en filmstjerne, en barneskolelærer med hele sin klasse og mange flere odde karakterer. En uforutsett hendelse fører til tvungen isolasjon, og i løpet av konferansen sammenfaller deres kunnskap, erfaringer og liv på uventede måter. I kjent Wes Anderson-stil er «Asteroid City» fargerik, stilisert og proppfull med store stjerner.