Nel 1926, il dottorando ventiduenne J. Robert Oppenheimer, allievo del fisico sperimentale Patrick Blackett al Laboratorio Cavendish di Cambridge, è preso dall'ansia e dalla nostalgia di casa. Oppenheimer, arrabbiato con l'esigente Blackett, inietta di nascosto del cianuro di potassio nella sua mela. Oppenheimer recupera la mela dalle mani di Niels Bohr, scienziato in visita all'istituto, che gli suggerisce di studiare fisica teorica a Gottinga, dove Oppenheimer completa il suo dottorato di ricerca e incontra Isidor Isaac Rabi. Qualche anno dopo, i due incontrano il fisico teorico Werner Heisenberg ad una conferenza in Svizzera.

Oppenheimer torna negli Stati Uniti con l'intenzione di esportarvi la ricerca sulla meccanica quantistica, e comincia a insegnare presso l'Università della California e al California Institute of Technology, dove inizia con un solo studente (guadagnandone presto altri). Incontra la sua futura moglie, Katherine "Kitty" Puening, biologa ed ex comunista, e ha una relazione a intermittenza con Jean Tatlock, membro del Partito Comunista degli Stati Uniti d'America.

Nel 1939, i progressi della Germania nazista nella ricerca sulla fissione nucleare spingono Oppenheimer e i suoi colleghi a volerne replicare i risultati. Nel 1942, nel mezzo della seconda guerra mondiale, il generale dell'esercito statunitense Leslie Groves recluta Oppenheimer come direttore scientifico del progetto Manhattan per sviluppare una bomba atomica dopo che quest'ultimo ha assicurato di non avere simpatie comuniste.

Oppenheimer, che è ebreo, è particolarmente spinto dal potenziale completamento da parte dei nazisti del loro programma nucleare militare, guidato da Heisenberg. Mette insieme un team scientifico che comprende Edward Teller e Rabi a Los Alamos, nel Nuovo Messico, collaborando anche con gli scienziati Enrico Fermi e David L. Hill. Mentre il lavoro continua, Oppenheimer è addolorato per la morte improvvisa di Tatlock.

Dopo la resa della Germania, alcuni scienziati del progetto mettono in dubbio l'importanza della bomba, mentre Oppenheimer ritiene che il suo utilizzo metterà rapidamente fine alla guerra in corso nel Pacifico e salverà vite alleate. I calcoli di Teller rivelano una piccola possibilità che una detonazione atomica possa innescare una reazione a catena atmosferica e distruggere il mondo. Un Oppenheimer tormentato porta questo ad Albert Einstein, che desidera non essere coinvolto.