J. Robert Oppenheimer (Cillian Murphy) ist ein theoretischer Physiker und genau wie seine Ehefrau, die Biologin Kitty (Emily Blunt), ein Wissenschaftler mit Leib und Seele. Im Zuge des Manhattan Project entwickelt er als Direktor des Los Alamos Laboratory eine nie dagewesen gefährliche Waffe: die Atombombe. Männer wie General Leslie Groves (Matt Damon) und Lewis Strauss (Robert Downey Jr.) von der US-amerikanischen Atom-Energie-Kommission schauen ihm dabei über die Schulter. Doch riskiert Oppenheimer mit seiner Erfindung die Zerstörung der Erde oder liefert er sein Werk umgekehrt ab, um die Welt vor sich selbst zu retten?