影片从罗伯特·奥本海默（基里安·墨菲）在战后接受国会质询开始，他在特别委员会的质询会议上回顾了自己过往。奥本海默于1925年从哈佛大学毕业后为学习量子物理学到英国剑桥大学卡文迪许实验室学习后转到德国学习，1929年回到美国，进入加利福尼亚大学伯克利分校任教，此刻他认识了后来成为美国原子能委员会主席的刘易斯·斯特劳斯（小罗伯特·唐尼 ）。而正是这位即将入主内阁的斯特劳斯为报私怨，暗地让人举报奥本海默，这使得奥本海默原来的不当接触和自己的私生活全都暴露在众人面前。

       很快美国陆军中将莱斯利·理查德·格罗夫斯（马特·达蒙）找到奥本海默，让他领导曼哈顿计划，在希特勒前抢先造出原子弹，以快速结束战争。奥本海默邀约了一大批全球顶尖的科学家来到洛斯阿拉莫斯研究核弹。这其中有高能粒子回旋加速器专家欧内斯特·劳伦斯（乔什·哈奈特），他成功分离制造原子弹用的铀-235；量子力学专家理查德·费曼（杰克·奎德），他主张的粒子加速引发核裂变的出现；还有后来成为哥本哈根学派创始人尼尔斯·玻尔（肯尼思·布拉纳）、核磁共振仪发明者伊西多·艾萨克·拉比（大卫·克鲁霍尔特兹）……还有鼎鼎大名的阿尔伯特·爱因斯坦（汤姆·康蒂）、以及奥本海默的情人琼·塔特洛克（弗洛伦丝·皮尤）和妻子凯瑟琳·奥本海默（艾米莉·布朗特）。

        经过大家的卓绝努力，第一颗原型武器的试爆成功，投入实战后，日本投降。因为武器的巨大破坏性，奥本海默愧疚不已，对于即将开始的研究他极力阻止，并对原料管制与斯特劳斯发生冲突，为后面的质询埋下了隐患。幸好昔日的敌人大卫·希尔（拉米·马雷克）在作证时说出了斯特劳斯故意陷害奥本海默的事，才使得这位伟大的科学家洗清了嫌疑，但奥本也因此被收回了安全许可权。

影片完整呈现了奥本海默大量的私密往事，以及他对原子弹的复杂态度，电影用大量科学理论做为电影的技术支撑，还有片中的核爆场也是实景拍摄，让人感觉非常真实。影片长达三小时，其对人性的表露和善恶定位的非常贴切，奥本海默的心路历程被完整诠释。要说电影的问题在于双线并进的回溯式结构，把奥本海默和施特劳斯各自在听证会上的讲述从不同角度呈现，这多少有些繁琐，很多科学的解释让人听得生厌，不用点心甚至会昏昏欲睡。但诺兰借用奥本海默人生经历和悲剧性结局，表达自己对人类命运的隐忧，这点却值得我们好好深思。