Wonder Wheel croise les trajectoires de quatre personnages, dans l'effervescence du parc d’attraction de Coney Island, dans les années 50 : Ginny, ex-actrice lunatique reconvertie serveuse ; Humpty, opérateur de manège marié à Ginny ; Mickey, séduisant maître-nageur aspirant à devenir dramaturge ; et Carolina, fille de Humpty longtemps disparue de la circulation qui se réfugie chez son père pour...

Fils de magistrat, Hank Palmer, grand avocat, revient dans la petite ville de son enfance, où son père, qu'il n'a pas revu depuis longtemps, est soupçonné de meurtre. Il décide alors de mener l'enquête pour découvrir la vérité et, chemin faisant, renoue avec sa famille avec laquelle il avait pris ses distances …