当深具影响力的中国艺术家“马良”发现其成就斐然的父亲京剧名导“马科”正深受阿兹海默症之苦,他便邀请父亲参与自己雄心蓬勃的项目一同合作：一场难忘、神奇、自传式的哑剧表演，其中包括一只名为“父亲的时光机”的真人大小机械木偶。透过一同创作此剧,两个男人抢在生命流逝且记忆永远消逝前，直视死亡。
43岁的马良是当今中国最具影响力的观念艺术家之一。其父马可曾任上海中国歌剧院艺术总监。在文革期间被羞辱并被禁止工作十年后，马可沉浸在戏剧中。马可创作世界的神秘兴奋激发了年轻的马良，但他父亲的缺席激起了早期的怨恨情绪。
当马可被诊断出患有阿尔茨海默氏症时，马良将一切投入到一个雄心勃勃的新戏剧项目中：“爸爸的时间机器”，这是一场用真人大小的木偶讲述的视觉震撼的时间旅行冒险。该剧的核心是自传场景，灵感来自于马良与父亲的回忆。他希望这能让他们在艺术上和个人上走到一起。
该剧在国内外引起热烈反响，展现出良好的前景。但马可的病情却每况愈下。马良在纪念父亲的最初目标和商业成功的压力之间左右为难。马可努力为这部剧做出贡献，当这部剧完成时，他几乎认不出来。
面对父亲痛苦的衰落，马良更加洞察了生活的复杂性。不存在毫不费力的杰作或简单的解决方案。并且无法回到过去来找回丢失的东西。然而，与联合导演天一建立了关系。他向她求婚，准备成为伴侣和父亲，并以新的艺术和生活观继续前进。