Après la mort soudaine du professeur Vollmer à l’institut de recherche en cybernétique et futurologie, le docteur Stiller est nommé à la tête du projet Simulacron : un programme de réalité virtuelle, simulateur d’évènements dans un monde composé de 9 700 unités identitaires. Lors d’une soirée, Stiller assiste à la disparition du chef de la sécurité. Mais quand il raconte cela, personne ne comprend de qui il parle…

Zurich, 1938. Willie, une jeune chanteuse de cabaret allemande, s'éprend de Robert, un musicien juif. Le père du jeune homme, David Mendelsson, dirige une organisation juive clandestine d'aide aux réfugiés. Il voit d'un mauvais oeil la liaison de Robert et Willie. Le jeune musicien convoie régulièrement des fonds en Allemagne. Sur l'insistance de Willie, il accepte un jour de la laisser l'accompagner. Le père de Robert, trouvant là l'occasion de séparer les deux amants, fait retenir la chanteuse en Allemagne. Lorsque la guerre éclate, Willie, désemparée, se place sous la protection de Henkel, un officier SS qui lui fait enregistrer la chanson « Lili Marleen ». Le succès est immédiat. Willie devient une véritable star, parrainée par le ministère de la Culture du IIIe Reich. Elle rêve toutefois de retrouver Robert…