À l'aube du nouveau millénaire, le conservateur d'un musée d'histoire naturelle du New Jersey reçoit une invitation d'une célèbre créatrice de mode. Fascinée tout comme lui par les formes cachées du règne animal – le camouflage et le subterfuge, elle lui propose de collaborer à une exposition mystérieuse alors même qu'ils entament une étrange relation. Sept ans plus tard, après la mort de la styliste, le conservateur récupère les archives de leur projet inabouti. Au cours d'une longue nuit d'insomnie, il trouve dans ces dossiers une série d'indices sur la véritable histoire de la famille de cette dernière ; un puzzle qui serpente d'Israël à la bohème new-yorkaise des années 1970, en passant par la jungle latino-américaine. Polyphonique et kaléidoscopique, Musée animal interroge les frontières instables entre l'art, la science, la politique et la religion.