Mariola Wafelek zwana Merlin, po raz kolejny pisze list do Billy Wildera. Co prawda poprzednich kilkanaście listów pozostało bez odpowiedzi, ale dziewczyna nie traci nadziei, że amerykański reżyser w końcu powierzy jej rolę w swoim filmie. Jako mała dziewczynka obejrzała "Pół żartem, pół serio" i od tej pory mocno wierzy, że zostanie sławna jak Marilyn Monroe. Tymczasem jej życie w niczym nie przypomina życia gwiazdy - jako bufetowa w pociągu przemierza Polskę sprzedając piwo, a mieszka w obskurnym wagonie na bocznicy kolejowej. Obliczyła nawet, że gdyby dodać przejechane koleją kilometry, ich suma równałaby się odległości do Hollywood. Właśnie w pociągu Merlin po raz pierwszy spotyka Piotra, który także marzy o świecie filmu. Ich drogi zejdą się ponownie, gdy Piotr nie zostaje przyjęty na studia operatorskie z powodu daltonizmu. Wówczas Merlin poleca go znajomemu rekwizytorowi, dzięki któremu sama statystuje w filmach. Wkrótce chłopak awansuje do funkcji asystenta reżysera i rewanżuje się dziewczynie, umawiając ją na spotkanie ze swoim mistrzem poszukującym odtwórczyni głównej roli. "Treścią filmu jest przestrzeń, jaka rozciąga się między rzeczywistością, kurzem życia a niebem marzeń i to, w jaki sposób bohaterowie próbują przebyć tę drogę. Zawsze mnie fascynowało, że marzenia, które w jakiś sposób sterują naszym dorosłym życiem, rodzą się w dzieciństwie" - mówił reżyser Radosław Piwowarski. Merlin marzy o Hollywood, w końcowej scenie dzwoni do niej sam Billy Wilder, ale co z tego wyniknie, nie wiadomo. Jednak taki finał nie był planowany przez reżysera, wymusiła go po prostu rzeczywistość. Właściwe zakończenie filmu miało być zrealizowane w prawdziwym Hollywood, ale tak się nie stało, gdyż władze kinematografii nie zgodziły się na nakręcenie jakiejkolwiek sceny w USA. Dwa poprzednie filmy Piwowarskiego - "Yesterday" i "Kochankowie mojej mamy" - przyniosły duże zyski, dzięki czemu reżyser otrzymał obietnicę, że przy trzecim filmie będzie mógł nakręcić jedną scenę w Kalifornii. Przez cały czas realizował więc "Pociąg do Hollywood" pod kątem tej jednej sceny, która miała być kręcona w prawdziwej fabryce snów. "Okazało się jednak, że były to tylko obiecanki, a moja naiwność - równa naiwności moich bohaterów".