在世界大戰時期，知名科學家愛因斯坦在第二次世界大戰前夕寫了一封表示德國可能正在發展全新量級炸彈的信給美國總統羅斯福，美國因此開啟了原子彈研製的曼哈頓計劃，但這項計畫的主持人卻不是愛因斯坦，而是由同在美國推廣量子物理的奧本海默組建的科學家團隊，在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯共同研製原子彈，這個耗資20多億美元的豪賭計劃最終成為結束第二次世界大戰的關鍵，當美國正式向廣島和長崎投擲原子彈造成數十萬計人民死亡後，奧本海默認為身為科學家的自己雙手沾滿鮮血，不停在科學探知的本質、愛國的使命感、剝奪生命的膽怯、軍備競賽的憂慮中日復一日掙扎。
奧本海默（席尼·墨菲飾）雖然是名優秀的學生，但在英國就學時因為不擅長驗證實驗求學過程並不順利，甚至用加味的氰化鉀劇毒蘋果意圖殺害教授（未遂），後來轉到德國以理論為主的學習物理，並因為美國缺乏量子物理學研究而回到美國大學任教，從一開始只有一位學生到後來的一群學生示意著奧本海默成功將量子物理帶回美國。
美國政府在愛因斯坦的警告中，得知德國很可能正在研究原子武器，萊斯利·格羅夫斯軍官（麥特·戴蒙飾）找到奧本海默提出原子彈研製項目，雖然奧本海默對共產主義的好奇與連結勢必對但的安全許可證申請有影響，但是格羅夫斯軍官還是選擇由奧本海默擔任項目主持人，因為不能讓納粹率先製造出原子彈，而當時德國已經至少領先美國12個月甚至18個月。項目研究期間，科學家們發現的一種人類可能無法承受的後果，核反應無法停止最終點燃大氣層，奧本海默立刻找到愛因斯坦討論可能性，但愛因斯坦卻說他們的數學都不好，要奧本海默找數學好的人驗證這件事的可能。驗證的結果是機率幾乎是零，在最終試爆前格羅夫斯軍官得知這件事進一步詢問「幾乎是零？」，奧本海默眼神飄移但語氣灑脫的說「光憑理論你想怎樣？」，「最好就是零」格羅夫斯軍官衷心的回答。
美國原本研發原子彈的目的是不能讓納粹先製造出原子彈，但隨著希特勒自殺、德國投降，原子彈轉而用到了日本，在選擇投放地點時，京都原本被選為轟炸的目標之一，但被美國戰爭部長以自己曾在京都度蜜月否決，因為他瞭解京都文化對日本的重要性，這只會讓戰爭變成不止不休。三位一體核試驗的成功後，廣島與長崎成為首批核武器攻擊的地點，更讓世人見證核子武器的恐怖。成為「原子彈之父」的奧本海默對總統說覺得自己手沾滿鮮血，但杜魯門卻拿出出白帕擦手說「你以為大家在乎做炸彈的是誰嗎？他們只在乎炸彈是誰丟的，而下令的人是我，滾出去，我不想再看到這個哭哭啼啼的傢伙。」
