1945年二戰(zhàn)末期，美國科學(xué)家團隊在新墨西哥州秘密研制原子彈的過程中，物理學(xué)家羅伯特·奧本海默與軍方聯(lián)絡(luò)官保羅上校產(chǎn)生激烈理念沖突。前者堅持科學(xué)探索應(yīng)受道德約束，后者強調(diào)軍事勝利高于一切。在洛斯阿拉莫斯實驗室里，技術(shù)人員吉姆發(fā)現(xiàn)"胖子"钚彈存在設(shè)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(xué)專家，在協(xié)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(zhàn)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(shù)據(jù)秘密移交反戰(zhàn)組織。吉姆在東京灣目睹長崎爆炸后，向軍方提交了辭職信。