Paris, Ende des 19. Jahrhunderts: In der akademischen Männerwelt der Universität Sorbonne hat Marie Sklodowska (Rosamund Pike) als Frau und auf Grund ihrer kompromisslosen Persönlichkeit einen schweren Stand. Allein der Wissenschaftler Pierre Curie (Sam Riley) ist fasziniert von ihrer Leidenschaft und Intelligenz und erkennt ihr Potential. Er wird nicht nur Maries Forschungspartner sondern auch ihr Ehemann und die Liebe ihres Lebens. Für ihre bahnbrechenden Entdeckungen erhält Marie Curie als erste Frau 1903 gemeinsam mit Pierre den Nobelpreis für Physik. Sein plötzlicher Tod erschüttert sie zutiefst, aber Marie gibt nicht auf. Sie kämpft für ein selbstbestimmtes Leben und für ihre Forschung, deren ungeheure Auswirkungen sie nur erahnen kann und die das 20. Jahrhundert entscheidend prägen werden.
