In einer Anhörung über seinen Widerspruch gegen die Entziehung seiner Sicherheitsfreigabe blickt der Physiker Julius Robert Oppenheimer (Cillian Murphy) zurück: Auf seine Anfänge, sein Privatleben und vor allem auf die Zeit, als ihm während des Zweiten Weltkriegs die wissenschaftliche Leitung des Manhattan-Projekts übertragen wird. Im Los Alamos National Laboratory in New Mexico sollen er und sein Team unter der Aufsicht von Lt. Leslie Groves (Matt Damon) eine Nuklearwaffe entwickeln. Oppenheimer wird zum „Vater der Atombombe“ ausgerufen, doch nachdem seine tödliche Erfindung folgenschwer in Hiroshima und Nagasaki eingesetzt wird, stürzt den gerade noch so jubelnden Oppenheimer in ernste Zweifel. In einer weiteren Anhörung soll Lewis Strauss (Robert Downey Jr.) als Handelsminister im Kabinett von Präsident Dwight D. Eisenhower bestätigt werden. Doch bald geht es um seine Beziehung zu Oppenheimer nach dem Krieg. Denn Strauss stand der amerikanischen Atomenergiebehörde vor, die von dem Physiker beraten wurde. Als sich Oppenheimer immer stärker gegen Strauss und ein Wettrüsten mit Russland stellt und für eine internationale Kontrolle der Kernenergie plädiert, kommen die alten Verbindungen des Physikers zum Kommunismus wieder zur Sprache.