در سال ۱۹۶۳، در یک مهمانی، استیون هاوکینگ (ادی ردمین)، دانشجوی کیهان شناسی دانشگاه کمبریج، با جِین وایلد (فلیسیتی جونز)، که دانشجوی ادبیات در همان دانشگاه است، آشنا می‌شود. با وجود این‌که استیون در ریاضی و فیزیک توانایی بالایی دارد، دوستان و استادانش نگران موضوع تزدکترای وی هستند. استیون به‌همراه استادش (دیوید تیولیس) به یک سخنرانی راجع به سیاه چاله ها می‌روند که باعث می‌شود استیون به این فکر بیفتد که سیاه‌چاله‌ها باعث به‌وجود آمدن جهان شده‌اند، و بعداً تصمیم می‌گیرد موضوع تزش را "زمان" انتخاب کند.

زمانی که درحال تحقیقات است، برخی ماهیچه‌های بدن استیون از کار می‌افتند و باعثِ افتادن و وارد شدن ضربه‌ای به سر وی می‌شود. به او گفته می‌شود که به بیماری عصبی نادری مبتلاست و به‌زودی تمام ماهیچه‌های بدنش از کار خواهد افتاد و توانایی راه رفتن، حرف زدن و غذا خوردن را از دست خواهد داد؛ اما به مغزش آسیبی وارد نمی‌شود، و این‌که حداکثر دو سال دیگر زنده خواهد ماند. استیون گوشه‌گیر می‌شود و همه را از خود می‌رانَد. جِین به او می‌گوید که دوستش دارد. جین با والدین استیون صحبت می‌کند و آن‌ها وضعیت را به‌طور کامل برای او شرح می‌دهند. جین تصمیم می‌گیرد که با استیون بماند. آن‌ها ازدواج می‌کنند و پسرشان به‌دنیا می‌آید.

استیون کم‌کم توانایی صحبت کردن را از دست می‌دهد. زمانی که تزش را ارائه می‌دهد، به او گفته می‌شود که در نظریه‌اش ایرادهایی وجود دارد، ولی تئوری او انقلابی است در دنیای علم و نشان دکترا را به او اعطا می‌کنند. استیون زمانی که درحال جشن گرفتن به‌همراه جین و دوستانش است، متوجه می‌شود که دیگر نمی‌تواند راه برود و باید از ویلچر استفاده کند.

بعد از به‌دنیا آمدن فرزند دوم، استیون نظریه‌ای جدیدی راجع به پدیداری سیاه‌چاله‌ها ارائه می‌کند. بعد از ارائهٔ این نظریه، استادان شگفت‌زده می‌شوند و در ادامه باعث می‌شود استیون شهرت جهانی پیدا کند. در این بین، جین، با وجود بچه‌هایش، سلامتی و نگه‌داری از استیون، فرصت کار کردن بر روی تز خودش را ندارد. جین وضعیت را برای استیون توضیح می‌دهد و او در جواب می‌گوید که درک می‌کند که او به کمک احتیاج دارد. جین به پیشنهاد مادرش به گروه سرود کلیسا می‌پیوندد و آن‌جا با جاناتان (چارلی کوکس) آشنا می‌شود. او و جاناتان دوستان نزدیکی می‌شوند و جین او را برای درس پیانو دادن به بچه‌هایش استخدام می‌کند. خیلی زود جاناتان دوست کل خانواده می‌شود و به جین، استیون و بچه‌ها در زندگی‌شان کمک می‌کند.

وقتی فرزند سوم جین به‌دنیا می‌آید، مادر جین از او می‌پرسد که فرزند از جاناتان است یا استیون. جین از این حرف ناراحت می‌شود و بعد متوجه می‌شوند که جاناتان حرف‌های آن‌ها را شنیده‌است. جین سعی می‌کند جلوی رفتن او را بگیرد و در همان‌جا به هم اعتراف می‌کنند که یکدیگر را دوست دارند. جاناتان مدتی از آن‌ها فاصله می‌گیرد، تا این‌که استیون پیش او می‌رود و می‌گوید جین به او نیاز دارد.

استیون به یک کنسرت اپرا در بوردو دعوت می‌شود. زمانی که او در کنسرت است، جین و جاناتان بچه‌ها را به کمپ می‌برند و به هم نزدیک‌تر می‌شوند. استیون در کنسرت حالش بد می‌شود و به کما می‌رود. مشخص می‌شود که استیون به ذات الریه مبتلا شده‌است. جین به بیمارستان می‌رود و دکتر به او می‌گوید برای زنده ماندن، مجبورند نای استیون را سوراخ کنند، و این باعث می‌شود که دیگر نتواند حرف بزند. جین قبول می‌کند.

الین (مکسین بیک) استخدام می‌شود تا به استیون کمک کند. او با استفاده از یک تخته که حروف بر روی آن‌ها حک شده، با دیگران ارتباط برقرار می‌کند. آن دو به هم نزدیک می‌شوند. بعد به استیون یک کامپیوتر هوشمند اهدا می‌شود که به‌کمک آن می‌تواند صحبت کند. استیون با استفاده از آن، کتاب تاریخچه زمان(به انگلیسی: The History of Time) را می‌نویسد که به یک کتاب پرفروش جهانی تبدیل می‌شود. استیون به جین می‌گوید که او برای دریافت یک جایزه به آمریکا دعوت شده و الین همراه او به آمریکا خواهد رفت. در این‌جا هر دو متوجه می‌شوند که این پایان راه ازدواج آن‌هاست.

استیون به‌همراه الین، که حالا عاشق یکدیگر شده‌اند، به سخنرانی می‌رود. جین و جاناتان هم به هم می‌پیوندند. درهنگام سخنرانی، استیون می‌بیند که خودکار یک دانشجو روی زمین می‌افتد. او خودش را تصور می‌کند که بلند می‌شود و خودکار را به دانشجو می‌دهد و از تصور این‌که این بیماری چگونه بر بدنش تأثیر داشته، ناراحت می‌شود. با این وجود، او ادامه می‌دهد و یک سخنرانی الهام‌بخش ارائه می‌کند.

جین یک نامه دریافت می‌کند که در آن ملکه الیزابت دوم خواهان ملاقات با استیون شده‌است. جین و استیون دوباره یکدیگر را می‌بینند و به ملاقات ملکه می‌روند. در حیاط کاخ، آن دو به فرزندانشان نگاه می‌کنند و استیون می‌گوید: «ببین چی ساختیم».

در سکانس پایانی، فیلم به عقب برمی‌گردد تا زمان اولین ملاقات جین و استیون، که نشان‌دهندهٔ آرزوی استیون است برای عقب بردن زمان تا ببیند در ابتدای جهان چه اتفاقی افتاده‌است. در پایان، در متنی اشاره می‌شود که جین و جاناتان با هم ازدواج کردند و تا به امروز از دوستان صمیمی استیون باقی ماندند. همچنین، استیون نشان شوالیه را از ملکه قبول نکرده‌است.