1945年二戰末期，美國科學家團隊在新墨西哥州秘密研制原子彈的過程中，物理學家羅伯特·奧本海默與軍方聯絡官保羅上校產生激烈理念沖突。前者堅持科學探索應受道德約束，后者強調軍事勝利高于一切。在洛斯阿拉莫斯實驗室里，技術人員吉姆發現"胖子"钚彈存在設計缺陷，卻遭到軍方高層隱瞞真相的威脅。與此同時，奧本海默的妻子凱瑟琳作為化學專家，在協助測算輻射危害時目睹了實驗動物的慘狀。最終在三位一體核試驗成功后，保羅上校強行啟動"小男孩"和"胖子"的實戰部署程序。奧本海默望著廣島升起的蘑菇云陷入巨大痛苦，而凱瑟琳將實驗數據秘密移交反戰組織。吉姆在東京灣目睹長崎爆炸后，向軍方提交了辭職信。