奥本海默
1926年，当时22岁的罗伯特·奥本海默在剑桥大学卡文迪许实验室留学，是一名出色的学生，但在他的教授派翠克·布莱克特眼中，他在数学方面很吃力，这导致了他的焦虑。一次奥本海默将一个苹果注入有毒化学品，打算用以毒害布莱克特，但意外地被来访的学者尼尔斯·玻尔拿起，被奥本海默及时阻止。之后，奥本海默在德国哥廷根大学完成物理学哲学博士学位后，在物理学家维尔纳·海森堡研究处工作一段时间后回到美国，原因是美国缺乏量子物理学研究。他开始在加州大学伯克利分校任教，同时也在加州理工学院工作。一路上，他遇到了许多重要人物，比如琼·塔特洛克，奥本海默与身为美国共产党党员的她有一段时断时续的恋情，直至1944年她因忧郁症被发现死于自杀；欧内斯特·劳伦斯，1939年诺贝尔奖得主，他强调实际应用的重要性；以及生物学家和前共产党员凯瑟琳·普宁，奥本海默后来与她结婚。
由于得知纳粹德国正在研究原子武器，美国陆军莱斯利·格罗夫斯上校找到奥本海默，要求他担任曼哈顿计划计划总监，参与原子弹的研制工作，但前提是奥本海默向他们保证不同情共产主义。因此，奥本海默组建了一个包括了爱德华·泰勒、伊西多·拉比等人在内的科学家团队，在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯共同秘密研制原子弹，亦与冶金实验室的恩里科·费米和大卫·希尔合作，目的是将其作为阻止纳粹的一种手段，尽管人们担心它可能会造成全球性影响。而身为犹太人的奥本海默，亦感到纳粹及其反犹太主义的威胁。研发期间，科学家对发现链反应的可能性并感到忧虑，奥本海默于是找上了爱因斯坦去验证其可能性，并发现有可能毁灭世界。
1945年中，随着德国在第二次世界大战中投降，原子弹研制项目的一些科学家开始质疑项目的必要性，但由于第二次世界大战仍在继续，美国决定继续曼哈顿计划，并要求进行三位一体核试验，在波兹坦会议前夕试验取得了成功。美国总统哈里·杜鲁门决定在广岛和长崎投掷原子弹。在日本投降后，奥本海默被外界大众封为“原子弹之父”，但顿感“我们科学家的双手沾了血”。而总统杜鲁门对奥本海默的这种情绪状态非常反感，认为这是软弱的表现。在他们的会面中，杜鲁门免除了奥本海默在爆炸事件中的所有责任，但奥本海默却认为自己应该承担责任。
在接下来的几年里，奥本海默获推荐聘为美国原子能委员会（AEC）的顾问成员，并成为反对进一步发展核武器的积极倡导者，尤其是反对泰勒提案制造的氢弹。然而，在与苏联冷战的紧张气氛中，以及麦卡锡主义的风潮下，他的立场成为争论的焦点。奥本海默被认为是左翼人士，而且与作为共产主义同情者的塔特洛克有联系，这引起了政府官员的怀疑。刘易斯·斯特劳斯是美国原子能委员会的主席，作为一位有权势的人物，他有着坚定的反共观点。斯特劳斯在一次会议上反对将放射性同位素出口至挪威，被奥本海默公开反对，奥本海默还提议与苏联开展军备会谈，因而斯特劳斯对奥本海默怀恨在心，他甚至认定奥本海默还于1947年在爱因斯坦面前诋毁他。
斯特劳斯抓住机会并利用了这些指控。1954年，在委员会展开的听证会上，奥本海默在以检察官罗杰·罗博为首的团队的质问下，一一交代自己与塔特洛克的婚外情、与共产主义的关系、对原子弹和氢弹的忧虑等等。在听证会上，奥本海默被泰勒等人出卖，纵然还有拉比等人为他辩护，但最终他的安全许可被撤销，名誉亦随之受损，压制了他在原子能和国家安全问题上的影响力。不过，在参议院确认斯特劳斯商务部长提名的委员会上，希尔作证揭露斯特劳斯因私怨而在背后发起针对奥本海默的指控，最终包括参议员约翰·肯尼迪在内的参议院投票否决这项提名，令斯特劳斯失去了内阁职位。
1963年，随着斯特劳斯的下台，奥本海默在总统林登·詹森手上接获恩里科·费米奖，其政治污名最终洗清。影片最后回到奥本海默在战后就任委员会成员前夕，在普林斯顿高等研究院与爱因斯坦的谈话，揭露并非谈论斯特劳斯，而是谈论发明核武器在战后的深远后果。奥本海默并想像到在此后他们是否已引起了核浩劫的“链反应”。