Der Atomphysiker J. Robert Oppenheimer beschäftigt sich intensiv mit der Quantenmechanik von Max Planck, die später zur Grundlage der Atomenergie werden soll. 1942 wird er als Leiter des geheimen Manhattan-Projekts in New Mexico rekrutiert. Der Plan: Vor den Nazis eine Atombombe entwickeln. Drei Jahre arbeiten Oppenheimer und sein Team daran. Im Glauben an Weltfrieden verdrängen sie jegliche Bedenken ob ihrer Zerstörungskraft und ihnen gelingt schließlich der erste Atomwaffentest. Daraufhin befiehlt der US-Präsident Truman die Atombombenabwürfe auf Hiroshima und Nagasaki, bei denen über Hunderttausend Menschen umkommen. Fortan stellt sich Oppenheimer gegen den Einsatz von Kernwaffen und wird in der McCarthy-Ära dafür als Spion verdächtigt. Ein Biopic über den Aufstieg und Fall des „Vater der Atombombe“.

Basierend auf der Biografie „Der amerikanische Prometheus“ wird die Geschichte Oppenheimers in nichtlinearen, verschachtelten Zeitebenen erzählt. Die Vernehmungen der McCarthy-Ära werden so lange in Schwarz-Weiß gezeigt, bis die farbige Vergangenheit – die eigentliche Haupthandlung – aufholt. Besonders imposant sind die Visualisierungen einer Supernova, der Sonnenoberfläche, von physikalischen Formeln und atomaren Reaktionen, die mit aufwändiger Kameraarbeit realisiert wurden. In der Filmbiografie wird stets die Perspektive des berühmten Protagonisten eingenommen, wenn etwa lautes Pochen dessen innere Selbstzweifel signalisiert, und lässt das moralische Dilemma eines Wissenschaftlers nachspüren, der sich politisch vereinnahmen ließ.