Um Physik und Chemie studieren zu können, zieht die in Warschau geborene Marie Salomea Skłodowska (Rosamunde Pike) nach Paris. Dort muß sich die selbstbewußte junge Wissenschaftlerin mit der Fremdenfeindlichkeit der französischen Gesellschaft des späten 19. und frühen 20. Jahrhunderts auseinandersetzen. Die Akademien unterstehen nahezu ausschließlich Männern. Von den 9.000 Studenten an Maries Universität, der Sorbonne, sind gerade mal 210 Frauen. Während ihrer Forschungen lernt Marie den Dozenten Pierre Curie (Sam Riley) kennen. Die beiden Wissenschaftler beginnen zusammenzuarbeiten und verlieben sich. Marie heiratet Pierre Curie im Juli 1865. In den Folgejahren konzentrieren sich die beiden auf die Erforschung radioaktiver Substanzen. Das gesundheitliche Risiko durch Strahlung macht sich bei den Eheleuten durch dauerhaftes Husten bemerkbar. Zudem entzünden sich bei Marie die Fingerspitzen. 1903 erhält sie gemeinsam mit Henri Becquerel den Nobelpreis für Physik. Doch drei Jahre später stirbt Ehemann Pierre bei einem tödlichen Unfall. Der Verlust stürzt Marie Curie in eine tiefe Krise.