A trama acompanha o jornalista e ex-assessor do governo britânico Martin Sixsmith (Steve Coogan) que se encontra em depressão depois de ser demitido de modo controverso (algo que o filme jamais explica). Buscando um novo trabalho, acaba encontrando por acaso a idosa Philomena Lee (Judi Dench), uma mulher que foi abandonada pelo pai em um convento ainda adolescente depois de engravidar, teve seu filho vendido para adoção pelas freiras e passou os 50 anos seguintes tentando encontrá-lo. Assim, Sixsmith decide fazer uma matéria acompanhando a aposentada em sua busca para reencontrar o filho.
Os dois formam uma dupla improvável com a personalidade positiva, ingênua e crédula de Philomena contrastando com o cinismo, o sarcasmo e a amargura de Sixsmith, que começa sua pesquisa vendo toda situação apenas como uma forma de faturar. Entretanto, conforme vai desvendando a questão do filho de Philomena, se envolve cada vez mais com a busca e se revolta com o tratamento desonesto preconceituoso e fundamentalmente pouco cristão dado a ela pelas freiras do convento em que foi abandonada.