Edinburghissa Skotlannissa vuonna 1874 Jack syntyy kaikkien aikojen kylmimpänä päivänä. Äärimmäisen kylmyyden vuoksi hän syntyy jäätyneellä sydämellä, joka ei lyö. Hoitava kätilö Madeleine pelastaa hänen henkensä korvaamalla hänen sydämensä hauraalla mutta toimivalla käkikellolla. Tämän jälkeen Madeleine neuvoo poikaa noudattamaan kolmea sääntöä ennenaikaisen kuoleman estämiseksi: poika ei saa koskaan leikkiä kellon viisareilla, menettää malttiaan tai rakastua. Jackin äiti päättää nopeasti, että Madeleinen olisi parempi kasvattaa hänen lapsensa, ja hän lähtee ja jättää Jackin. Madeleine, joka ei kykene synnyttämään omia lapsia, kasvattaa ja rakastaa Jackia kuin omaa lastaan.
Jackin kymmenvuotissyntymäpäivänä Madeleine toistaa kolme sääntöä ennen kuin vie hänet ensimmäistä kertaa kaupunkiin. Hän tapaa kaupungissa tytön nimeltä Miss Acacia ja ihastuu häneen. Pian koulun alettua hän tapaa myös Joen, kiusaajan, joka on myös rakastunut neiti Acaciaan. Kateellinen vanhempi poika ja hänen oppilasjoukkonsa kiusaavat Jackia seuraavat neljä vuotta. Joen hyökkäyksen aikana Jackin kellosydämen käkki kaivaa Joen silmän, ja Jack juoksee kotiin uskoen murhanneensa Joen. Madeleine, joka uskoo Jackin olevan karkuri, auttaa häntä pakenemaan.
Jack haluaa vain nähdä neiti Acacian uudelleen ja tapaa lopulta Georges Mélièsin, taikurin, joka yrittää käyttää varhaista filmikameraa. Georges auttaa häntä korjaamaan sydämensä ja suostuu liittymään Jackin mukaan neiti Akaasiaa etsimään. He lähtevät Espanjan Andalusiaan etsimään häntä.
Pitkän matkan jälkeen he saapuvat Andalusiassa sijaitsevaan sirkukseen. Jack löytää neiti Acacian, mutta Georges neuvoo häntä olemaan paljastamatta naiselle henkilöllisyyttään. Hän ryhtyy ystävystymään naisen kanssa ja välttää typerästi kertomasta tunteistaan. Tyttö vihjaa, että hänen sydämensä kuuluu jollekulle hänen menneisyydestään. Kävi ilmi, että Jack oli tuo henkilö hänen menneisyydestään. Jack keksii lopulta keinon paljastaa itsensä ja antaa neiti Acacialle avaimen, jolla hänen sydämensä voi kelata.
Ennen kuin Jack ja neiti Acacia ehtivät juosta yhdessä karkuun, paikalle ilmestyy Joe, Jackin menneisyyden kiusaaja. Hän oli etsinyt tilaisuutta rangaista Jackia lisää ja selittää tytölle Jackin käkikellosydämen kolme sääntöä yrittäen sabotoida niitä. Keskusteltuaan Joen kanssa neiti Acacia päättää, ettei hän halua ottaa riskiä olla Jackin kuolinsyy antamalla tämän rakastua. Hän hylkää miehen ja lähtee Joen kanssa. Hylätyksi tulemisen jälkeen Jack repii sydämensä ruuveja.
Vaunuissa neiti Acacian ja Joen kanssa Jack kertoo, että pian sen jälkeen, kun Jack oli paennut Madeleinen avulla, Madeleine lähetettiin vankilaan. Siellä hän kuoli pian sen jälkeen. Huhujen mukaan hän kuoli särkyneeseen sydämeen. Miss Acacia tajuaa lopulta, että hänellä on avain Jackin selviytymiseen ja palaa etsimään häntä. Hän saa nopeasti selville, että Jack oli lähtenyt kotiinsa Edinburghiin, ja seuraa häntä perässä. Hän tietää, että hänellä on vain vähän aikaa tavoittaa hänet. Kotiin päästyään hänelle kerrotaan, mitä Madeleinelle tapahtui. Hänelle kerrotaan myös, että Jack antoi hänelle ilon olla äiti, ja hän huolestuu ajatuksesta, miten poika kasvaa.
Neiti Acacia löytää Jackin Madeleinen haudan edestä vapisten kylmässä. Hän yrittää käyttää avainta kääntääkseen miehen kelloa, mutta mies heittää avaimen pois ja päättää kuolla siihen, ettei hän käytä avainta. Sitten he vihdoin suutelevat. Kun Jack katkaisee suudelman, aika on pysähtynyt hänen kohdallaan. Jack laulaa laulun taivaaseen kiipeämisestä käyttäen jäätyneitä lumihiutaleita tikkaina ja nousee taivaalle, kun elokuva häipyy mustaksi ja päättyy.