A trama segue a trajetória do físico J. Robert Oppenheimer (Cillian Murphy), de sua juventude estudando na Europa, passando por sua participação no Projeto Manhattan que construiu a bomba atômica e os anos posteriores quando o governo dos EUA atacou sua reputação por ele se opor à proliferação de armas nucleares.
O filme se estrutura em torno de personagens depondo em dois processos. Um para cassar a liberação de segurança de Oppenheimer, como parte do projeto de prejudicar sua reputação, e outra das audiências no Senado para a confirmação de Lewis Strauss (Robert Downey Jr.) como ministro, no qual ele é perguntado de sua relação com Oppenheimer. É um arranjo que lembra A Rede Social (2010), com o protagonista depondo em diferentes processos, indo e voltando no tempo, enquanto narra a história.