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Guido Anselmi (Marcello Mastroianni), un affermato regista di quarantatré anni, sta elaborando il suo prossimo film. Egli si trova a trascorrere un periodo di riposo in una stazione di cure termali (il set reale fu ambientato nel Lazio, e principalmente a Roma[2]). Guido cerca in quella località di coniugare i propri problemi fisici (stanchezza cardiaca) con quelli della produzione del film, ancora allo stato di preparazione.

La quiete che vorrebbe è continuamente minata dalla presenza delle maestranze del film (produttore, tecnici, attori) che soggiornano nel suo stesso albergo e che vedono in lui l'unico appoggio sicuro. Ma il suo spirito creativo si è inaridito e non riesce a dare una direzione chiara al suo progetto cinematografico. Oltretutto, ai suoi problemi professionali si aggiungono grattacapi sentimentali.

L'amante lo raggiunge alle terme e poco dopo arriva anche sua moglie. Sollecitato dal produttore, interrogato dai suoi assistenti e dagli attori che vogliono capire quale storia sta per raccontare, quali intenzioni vorrebbe esprimere, cerca di imbastire alla meglio una trama: un bilancio fatto di rapporti con personaggi reali e di fantasticherie, ricordi, sogni, che si inseriscono all'improvviso negli avvenimenti concreti delle sue giornate e delle sue notti. Dei suoi sogni fanno parte i ricordi del padre e della madre, morti, con i quali egli discorre teneramente, come con persone vicine.

Continui dubbi e incertezze si palesano attraverso una crisi esistenziale senza via d'uscita, in cui non riesce a dare un senso al suo rapporto con gli altri e al suo passato. E tutto questo non fa che rendere consapevole quello smarrimento che egli si porta dentro da anni e che le cure della esistenza quotidiana e del lavoro avevano in parte mascherato. In un onirico, fatato affresco di immagini si alterna un centinaio di personaggi di contorno tra cui spiccano: un intellettuale, che gli è stato messo alle calcagna dal produttore, la moglie, l'amante e la protagonista femminile del film in produzione.

I giorni trascorrono mentre i fatti reali, i ricordi e le fantasie del regista si accavallano sempre più fino a diventare indistinguibili. Il produttore fa visionare a Guido i provini già girati, e presso la scenografia di un'enorme piattaforma di lancio per un'astronave indice una conferenza stampa in cui finalmente il regista dovrà raccontare a tutti quelle che sono le sue intenzioni riguardo al film, ma in realtà il regista è sempre più confuso, non ha idea di cosa vuole raccontare, né di come farlo.

La sua confusione professionale rispecchia la sua confusione vitale: è la fine della sua carriera e della sua stessa vita: egli decide di abbandonare la regia del film durante la conferenza stampa. Ma proprio quando tutto sembra essere finito, quando i giornalisti si sono allontanati e le maestranze iniziano a smontare il set di un film che non si farà più, Guido ha la percezione che tutto quello che gli accade intorno, tutte le persone che ha conosciuto e che con lui hanno percorso la strada della vita, nel bene e nel male, sono parte di lui.

Tutti insieme in un girotondo circense roteano intorno a lui, che li dirige, ma che da loro riceve, un dare-avere indistinguibile. Nel carosello finale con tutti i personaggi del film, il regista, che ha ora riconquistato l'innocenza e la gioia di vivere, si rivede bambino.