１９５８年、イリノイ州の田舎町センターヴィルが異星人に侵略された。２５年後、大学教授チャーリーは別れた妻に頼まれ、彼女が故郷で母の葬儀に出る間、幼い娘を預かることになる。しかし、妻は音信不通となり、不思議に思った彼がセンターヴィルの実家を訪ねると、近隣住民は誰もそんな人は知らないと言う。チャーリーは宇宙人を追う突撃女性記者ベティと共に調査を進めるが、次々と奇妙な怪事件に見舞われる。
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