Als dem Physiker Julius Robert Oppenheimer (Cillian Murphy) während des Zweiten Weltkriegs die wissenschaftliche Leitung des Manhattan-Projekts übertragen wird, können er und seine Ehefrau Kitty (Emily Blunt) sich nicht vorstellen, welche Auswirkungen Oppenheimers Arbeit nicht nur auf ihr Leben, sondern auf die ganze Welt haben wird. Im Los Alamos National Laboratory in New Mexico sollen er und sein Team unter der Aufsicht von Lt. Leslie Groves (Matt Damon) eine Nuklearwaffe entwickeln – was ihnen auch gelingt. Oppenheimer wird zum „Vater der Atombombe“ ausgerufen, doch dass seine tödliche Erfindung bald folgenschwer in Hiroshima und Nagasaki eingesetzt wird, lässt Oppenheimer Abstand von dem Projekt nehmen. Als der Krieg zu Ende geht, setzt sich Robert Oppenheimer als Berater der US-amerikanischen Atomenergiebehörde, die von Lewis Strauss (Robert Downey Jr.) mitbegründet wurde, für eine internationale Kontrolle von Kernenergie und gegen ein nukleares Wettrüsten ein – und gerät ins Visier des FBI.