19世紀パリ。女性研究者マリ･スクウォドフスカ (ロザムンド･パイク) は、大学から性差別を受け、研究の機会を与えられないでいた。そんな中、同僚の科学者ピエール･キュリーと結婚して、キュリー夫人となる。彼の支援で研究に没頭した彼女は、ラジウムとポロニウムという新しい元素を発見して夫婦でノーベル賞を受賞する。けれども、ふたりの幸せは長続きせず、夫は不慮の事故死を遂げてしまう――。さらに、彼女が発見したラジウムは癌細胞の治療に役立つ一方、核兵器としても利用されるようになり、彼女の苦悩は深まっていく…。