Toda la luz que no podemos ver cubre cinco períodos principales en la vida de Marie-Laure LeBlanc y Werner Pfennig:
1. Infancia antes de la guerra
Marie-Laure vive en París con su padre, cerrajero del Museo de Historia Natural. Ella se queda ciega a causa de las cataratas y él la ayuda a lidiar con la ceguera comprándole novelas de aventuras de Julio Verne escritas en Braille y construyéndole una réplica de madera de su vecindario para que pueda aprender a navegar ciega. A medida que aumentan los rumores sobre la ocupación alemana, el museo le confía al padre de Marie-Laure un valioso diamante llamado Sea of Flames. Él y Marie-Laure evacuan París para entregar la piedra a un amigo en el museo.
Werner crece en el campo de Zollverein, Alemania, junto con su hermana, Jutta, en un orfanato dirigido por Frau Elena. Werner es curioso y dotado con la ciencia y la mecánica. Descubre una radio rota y la arregla; él y Jutta usan la radio para escuchar la transmisión de un profesor francés sobre ciencia. Aunque Werner sueña con convertirse en científico, le dicen que lo enviarán a trabajar en una mina de carbón cuando cumpla 15 años. Su oportunidad de escapar de este destino llega cuando arregla la radio de un oficial nazi y le ofrecen un lugar en una escuela nazi en Schulforta.
2. Nuevas viviendas y el comienzo de la guerra
El hombre a quien se suponía que el padre de Marie-Laure le entregaría el Mar de Llamas ha huido a Londres, por lo que Marie-Laure y su padre continúan hasta la casa de su tío abuelo Etienne en Saint-Malo y comienzan a vivir allí. Su padre le construye una maqueta de Saint-Malo y esconde el Mar de Llamas dentro de la réplica de la casa de Etienne. Los alemanes confiscan todas las radios de Saint-Malo, pero Etienne mantiene una escondida en su ático. El padre de Marie-Laure es convocado para regresar al museo, pero en el camino es arrestado y enviado a un campo de prisioneros en Alemania.
El ambiente en Schulpforta es brutal para Werner, cuyo único amigo es Frederick, un chico amable al que le encantan los pájaros. Frederick es señalado para el castigo, especialmente después de que se niega a participar en el asesinato de un prisionero enemigo. Lo golpean tan brutalmente que casi muere y lo envían a casa, con la mente dañada de forma permanente. Mientras tanto, el genio técnico de Werner es reconocido por el profesor de ciencias Dr. Hauptmann, quien entrena a Werner para calcular la ubicación de las transmisiones de radio usando trigonometría.
3. Unirse al esfuerzo de guerra
El ama de llaves de Etienne, Madame Manec, organiza un grupo de mujeres para luchar por la resistencia francesa contra la ocupación nazi. Ella trata de reclutar a Etienne para que use su radio en el movimiento de resistencia, pero él se niega por el peligro. Madame Manec muere de neumonía y, después de llorar su pérdida, Etienne y Marie-Laure deciden reanudar sus esfuerzos de resistencia. Marie-Laure recibe hogazas de pan de Madame Ruelle que tienen trozos de papel con la inteligencia aliada horneada en su interior. Etienne transmite la información sobre estos boletos usando su radio. Cuando Madame Ruelle descubre que los Aliados llegarán el Día D, le pide a Etienne que mapee la ubicación de las armas antiaéreas nazis y las transmita. Lo intenta pero es arrestado.
A medida que el esfuerzo de guerra alemán se vuelve más desesperado, el Dr. Hauptmann miente y afirma que Werner tiene 18 años en lugar de 16 para que Werner pueda ser enviado al ejército. Werner se une a un equipo especial que persigue transmisiones de radio anti-alemanas y mata a los locutores. Su equipo es llamado a Saint-Malo para localizar la fuente de una de estas transmisiones ilegales, que Werner reconoce como una reminiscencia de la transmisión del profesor francés que escuchó en su juventud. En lugar de contarle a su equipo sobre la transmisión, Werner la localiza, encuentra a Marie-Laure y se enamora de ella.
4. El bombardeo de Saint-Malo
Esta parte de la historia, que se divide en secciones narrativas que encajan cronológicamente con la progresión de la trama de la novela, retrata a los personajes solos con sus pensamientos. Los aliados comienzan a bombardear Saint-Malo. Werner se refugia en el sótano de un hotel; Las bombas hacen que el hotel se derrumbe, atrapando a Werner y Volkheimer, el líder del equipo de Werner. Marie-Laure se esconde en el sótano de Etienne hasta que termina el bombardeo. Ella sube al tercer piso a buscar agua y escucha al oficial alemán von Rumpel, que desesperadamente quiere localizar el Mar de Llamas, entrar a la casa en busca del diamante. Ella se esconde en el ático, que tiene una entrada secreta que von Rumpel no puede encontrar.
Después de días en el ático, Marie-Laure comienza a transmitir. Werner ha logrado arreglar su radio, y él y Volkheimer la escuchan leer. En un momento, hace una pausa y susurra: «Él está aquí», alertando a Werner del hecho de que ella está en peligro. Cansada de esperar a que la descubran, Marie-Laure empieza a poner música a todo volumen. Volkheimer escucha la canción por la radio y lo inspira a arriesgar su vida al abrir una salida de los escombros del sótano del hotel donde él y Werner están atrapados. Werner va a la casa de Etienne y rescata a Marie-Laure matando a von Rumpel. Él la ayuda a escapar de la ciudad después de colocar el Mar de Llamas y el modelo de la casa de Etienne en una gruta del océano. Werner y Marie-Laure se separan. Marie-Laure se reúne con Etienne mientras Werner es hecho prisionero por los Aliados y cae enfermo. Deambula delirante por un campo minado, provoca una explosión y muere.
5. Después de la guerra
Jutta está en Berlín cuando llegan los soldados rusos y tres de ellos la violan. Marie-Laure y Etienne se mudan a París, donde Marie-Laure comienza la escuela.
Décadas más tarde, una organización entrega las pertenencias de Werner a Volkheimer, quien se las lleva a Jutta. Entre ellos está el modelo de la casa de Etienne. Jutta va a Saint-Malo para conocer los últimos días de vida de su hermano y reconoce que la casa de Etienne coincide con el modelo. Un vecino la pone en contacto con Marie-Laure, que ahora trabaja en el Museo de Historia Natural. Jutta conoce a Marie-Laure, le dice que Werner ha muerto y le da la casa modelo. Marie-Laure se da cuenta de que Werner debe haberlo recuperado de la gruta después de que se separaron. Cuando la abre, encuentra la llave de la puerta de la gruta. Ella se pregunta qué hizo con el Mar de Llamas; aunque no tiene forma de saberlo, el narrador revela que Werner dejó el diamante en la gruta.
Muchos años después, Marie-Laure va a un parque con su nieto, donde reflexiona sobre su vida y su pérdida.
