20世紀30年代，當反猶太主義在德國達到狂熱的高潮時，著名物理學家阿爾伯特愛因斯坦（Geoffrey Rush飾）心中滿是糾結，他必須作出決定，與第二任妻子愛爾莎（Emily Watson飾）前往美國避難，還是與其他猶太學者團結地站在一起。這份掙扎喚起了他在蘇黎世理工學院求學時的回憶，在那裡，他曾是個任性的學生，遇到了人生初戀米列娃馬利奇。
在蘇黎世聯邦理工學院，年輕的愛因斯坦和班上唯一一位女生米列娃爭辯後，他愛上了這位堅定果斷的女孩。雖然這段激情洋溢的戀情點燃了他們倆對科學共同的好奇與熱愛，但他們的一些肆意放任之舉，也引起了愛因斯坦嚴苛的導師韋伯教授的注意。
剛從大學畢業的愛因斯坦，在一個滿是傳統禮儀的世界裡努力維持生計，希望有人能認可他那些反傳統的想法。終於，他得到了富有的科學愛好者贊助，就在差一點能養活懷孕的愛人米列娃的時候，悲劇發生了。
除了白天在伯爾尼專利局工作外，阿爾伯特愛因斯坦（Johnny Flynn飾）在新婚妻子米列娃（Samantha Colley飾）的支持下，日以繼夜地進行科研工作，完成了四篇論文，並在這些論文裡闡述了狹義相對論，歷史上這一年被稱為「奇跡年」。其中一篇論文引起了著名理論物理學家馬克斯普朗克的注意。
被分配了新教學任務的阿爾伯特愛因斯坦，終於開始體驗他在論證廣義相對論時夢寐以求的學術生活。在歐洲最負盛名的科學家們那裡，愛因斯坦第一次嘗到了被讚賞的滋味，但他開始對要承擔的家庭責任步履蹣跚。他唯一的慰藉來自在探望大家族期間，有人將他介紹給了表妹愛爾莎。
為了工作，也為了更接近新歡愛爾莎（Emily Watson飾），阿爾伯特愛因斯坦（Johnny Flynn飾）舉家搬到柏林，並開始著手證明他的廣義相對論。他在一位天文學家的幫助下拍攝了俄羅斯的一場日食，但此次探險出了些岔子。愛因斯坦的婚外情就此洩露，愛爾莎對他下了最後通牒：要麼和米列娃離婚，要麼永遠失去她。
阿爾伯特愛因斯坦已筋疲力盡，因為健康問題，他試圖創造科學歷史的努力受到了考驗。與此同時，戰爭結束後掀起的愛國主義浪潮影響了他最親密的朋友佛列茲哈伯，使兩人開始走向對立。在德國的戰爭運動中，阿爾伯特是唯一一個反對訴諸武力的科學家。
由於愛因斯坦的政治立場受到了聯邦調查局局長尊艾德加胡佛的注意，他和妻子愛爾莎試圖逃到美國時，發現美國國務院凍結了他們的簽證，禁止他們入境。在動身離開的前幾天，愛因斯坦必須說服美國駐德領事，自己對美國不存在任何威脅。
阿爾伯特愛因斯坦（Geoffrey Rush飾）和愛爾莎（Emily Watson飾）一邊在美國安頓下來，一邊設法搭救未能和他一起過來的人們。儘管量子力學依然困擾著他，但納粹德國的核分裂研究轉移了他的一部分注意力。當悲劇發生時，愛因斯坦在一個意圖不明的俄羅斯女人懷裡找到了安慰。
在原子彈被投下，二戰結束之後，愛因斯坦承擔起世界公民的重任。為爭取和捍衞社會正義，他過著非常孤獨的生活，居住在遠離他的兒子漢斯愛因斯坦的地方，而兒子是他與曾經認識的世界最後一絲真實的聯繫。愛因斯坦努力完善統一場理論，繼續著自己對答案永恆的追求，但是這些重要的研究將他與兒子分離。
