Il film racconta di Jack Portman (Asa Butterfield), adolescente americano particolarmente legato al nonno paterno Abes (Terence Stamp). Quest’ultimo ha nutrito l’immaginazione del nipote con fantastiche storie su brutali mostri e sulle avventure dei ragazzi speciali di Miss Peregrine (Eva Green), dotati di peculiari abilità soprannaturali. Quando Jack ritrova suo nonno morente, senza bulbi oculari, il ragazzo è profondamente sconvolto. Jack cerca di comprendere le ultime parole di Abes, che lo ha supplicato di trovare l’anello del 3 settembre 1943, ma si convince che il nonno stesse semplicemente delirando. Un giorno, Jack trova casualmente una cartolina firmata da Miss Peregrine, spedita dalla piccola isola britannica di Cairnholm.

La psicologa Golan, spingendolo ad elaborare il lutto, lo incoraggia a partire per scoprire cosa nasconde l’isola. Giunto a destinazione, il ragazzo scopre che l’istituto è stato distrutto molti anni prima da una bomba tedesca e rimane molto deluso. Mentre vaga tra le rovine, Jack si imbatte nei ragazzi speciali e apprende che, grazie a un anello temporale creato da Miss Peregrine, sono tutti sopravvissuti all’attacco. La donna, infatti, possiede la capacità di plasmare il tempo e ogni giorno azzera l’anello, in modo che l’arco temporale possa ripetersi all’infinito, proteggendo tutti coloro che lo abitano. Quando Miss Avocet (Judi Dench) viene trovata ferita, Jack intuisce che il nemico dei ragazzi speciali ha scoperto l’isola.

Si tratta dei mostruosi Vacui, creati da un esperimento mal riuscito e guidati da Mr. Barron (Samuel L. Jackson), che si nutrono dei bulbi oculari degli speciali per riacquistare momentaneamente il loro aspetto reale. Jack, intanto, scopre che la sua abilità è quella di viaggiare nel tempo e che suo nonno Abes è stato ucciso dai Vacui. Per non insospettire suo padre Frank (Chris O’Dowd), che è partito con lui per Cairnholm, Jack intraprende una serie di viaggi temporali tra il presente e il 1943, ignaro che Barron lo stia osservando per scoprire le coordinate dell’istituto.