V Edinburghu ve Skotsku roku 1874 se Jack narodí v nejchladnější den všech dob. Kvůli extrémnímu chladu se narodí se zmrzlým srdcem, které nebije. Ošetřující porodní asistentka Madeleine mu zachrání život tím, že mu srdce nahradí křehkými, ale funkčními kukačkovými hodinami. Poté mu poradí tři pravidla, která mají zabránit jeho předčasné smrti: nikdy si nesmí hrát s ručičkami hodin, ztratit nervy nebo se zamilovat. Jackova matka z důvodů, které zná jen ona sama, rychle usoudí, že její dítě bude lépe vychovávat Madeleine, odjede a Jacka opustí. Madeleine, neschopná mít vlastní děti, ho vychovává a miluje jako vlastního.

V den Jackových desátých narozenin Madeleine zopakuje tři pravidla, než ho poprvé vezme do města. Ve městě se seznámí s dívkou jménem slečna Akacie a zamiluje se do ní. Poté, co krátce nato nastoupí do školy, potká také Joea, rváče, který je do slečny Akacie také zamilovaný. Žárlivý starší chlapec a jeho parta studentů trápí Jacka po následující čtyři roky. Při Joeově napadení vydloubne kukačka Jackova hodinového srdce Joeovi oko a Jack utíká domů v domnění, že Joea zavraždil. Madeleine v domnění, že Jack je uprchlík, mu pomůže utéct.

Jack chce jen znovu vidět slečnu Akacii a nakonec se setká s kouzelníkem Georgesem Mélièsem, který se pokouší ovládat ranou filmovou kameru. Georges mu pomůže napravit srdce a souhlasí, že se k Jackovi připojí při pátrání po slečně Akacii. Vydávají se ji hledat do španělské Andalusie.

Po dlouhé cestě dorazí do andaluského cirkusu. Jack najde slečnu Akacii, ale Georges mu poradí, aby jí neprozradil svou totožnost. Pokračuje v jejím přátelství a bláhově se vyhýbá sdílení svých citů. Ona mu naznačí, že její srdce patří někomu z její minulosti. Ukáže se, že tou osobou z její minulosti byl Jack. Jack nakonec najde způsob, jak se odhalit, a dá slečně Akacii klíč, kterým si může své srdce navinout.

Než Jack a slečna Akacie stihnou společně utéct, objeví se Joe, tyran z Jackovy minulosti. Hledal příležitost, jak Jacka ještě více potrestat, a vysvětlí jí tři pravidla Jackova kukačkového srdce ve snaze je sabotovat. Slečna Akacie se po rozhovoru s Joem rozhodne, že nechce riskovat, že bude příčinou Jackovy smrti, když mu dovolí, aby se zamiloval. Odmítne ho a odejde s Joem. Jack se po odmítnutí rozpláče nad svým srdcem.

V kočáře se slečnou Akacií a Joem jí vypráví, že krátce poté, co Jack s Madeleininou pomocí uprchl, byla Madeleine poslána do vězení. Tam brzy nato zemřela. Proslýchá se, že zemřela na zlomené srdce. Slečna Acacia si nakonec uvědomí, že má klíč k Jackovu přežití, a vrátí se ho hledat. Rychle zjistí, že Jack odjel domů do Edinburghu, a vydává se za ním. Ví, že má jen krátký čas, aby se k němu dostala. Když dorazí domů, dozví se, co se stalo Madeleine. Také mu řekne, že Jack jí dal radost být matkou a ona se strachuje při pomyšlení, jak bude vyrůstat.

Slečna Acacia najde Jacka před Madeleininým hrobem, jak se třese zimou. Pokusí se klíčem otočit jeho hodiny, ale on klíč zahodí a rozhodne se zemřít kvůli tomu, že klíč nepoužil. Pak se konečně políbí. Když Jack polibek přeruší, čas se pro něj zastavil. Jack zpívá píseň o výstupu do nebe, přičemž používá zmrzlé sněhové vločky jako žebřík, stoupá k nebi, když film zmizí do černé a končí.