1935年，美國普林斯頓大學邀請蘇聯雕塑家謝爾蓋為科學家愛因斯坦塑一個雕像，他的妻子瑪加麗達作為助手一同前往。56歲的愛因斯坦看到優雅美麗的瑪加麗達後，竟墜入了情網，可瑪加麗達夫婦都是蘇聯間諜。
愛因斯坦是為了逃避德國納粹的迫害，來到了美國，而他的第二個妻子愛爾莎剛病逝不久。這些打擊讓科學家愛因斯坦倍感孤獨寂寞。瑪加麗達的到來，讓愛因斯坦眼前一亮，頓時對這個長相出衆，善解人意的女人一見傾心。
愛因斯坦向來對女人有着極大興趣，此後他常以各種理由頻繁邀請瑪加麗達來他的工作室坐坐，這正中瑪加麗達下懷。他們夫婦是受命來到美國的，作為間諜，主要目的就是接近在這裡工作的科學家和科學研究人員，以擷取重要科學研究情報，尤其是像愛因斯坦這樣的大科學家。
愛因斯坦的熱情，給了瑪加麗達接近科學家的機會，她時不時地來到愛因斯坦的工作室，照顧他的起居飲食，在愛因斯坦不工作的時候，陪着他聊天散步，繼而投入了科學家的懷抱。
兩人經常一起出現在公衆場合當中，使得人們對他們的關系有了很多猜測。瑪加麗達的老公謝爾蓋對此事卻始終緘默，他知道，為了肩負的使命，他必須有所犧牲。
和愛因斯坦的往來中，瑪加麗達收集到了許多有關美國軍事科學發展的情報，并結交了不少傑出的科學家和具有重要身份的專家學者，有幾個人竟被瑪加麗達成功策反，成了蘇聯間諜的線人。
1939年，第二次世界大戰爆發，愛因斯坦在此時發現了鈾核裂變及其鍊式反應，便給當時的美國總統羅斯福寫了封信，建議美國加緊研制原子彈，以防止德國納粹先一步研制成功，給世界帶來危害。
1942年5月，蘇聯一個年輕的實體學家，也是一名空軍中尉，在翻閱美英科技雜志時，發現有關核裂變的文章及這一領域學者的名字突然銷聲匿迹。他推斷是美國正在秘密制造原子彈，于是他寫信給斯大林，提出了“抓緊時間制造原子彈至關重要”的想法。
很快，斯大林做出了“蘇聯必須優先快速發展核武器”的決定，并建立了一個隸屬于科學院的原子實驗室。還沒等蘇聯方面研制成功，1945年7月16日，在美國的新墨西哥州沙漠上，美國率先升起了巨大的蘑菇雲，宣告世界上第一顆實驗用原子彈爆炸成功。
緊接着，1945年8月6日和8月9日，美國先後在日本的廣島和長崎兩地投下了兩顆原子彈，造成了數萬平民死亡，而散發出的核放射，給活下來的人帶來了的永久性的傷害。
愛因斯坦知道後非常氣憤，他提出制造原子彈并不是想要讓它傷及無辜。是以，愛因斯坦發表公開講話說：“參加過研制這種曆史上最可怕最危險武器的實體學家，即使不算犯罪，也被同樣的責任感所煩惱。”
美國的成功讓蘇聯有了緊迫感，他們指令瑪加麗達，要盡一切辦法擷取核武器的尖端資料，最好讓愛因斯坦與蘇聯建立起經常性的友好聯系。多年來對愛因斯坦體貼入微的瑪加麗達，她的間諜身份正式上線。
首先，瑪加麗達利用愛因斯坦對自己的情感依戀，針對他對美國的不滿，在潛移默化中使得愛因斯坦的感情傾向了蘇聯。随後，瑪加麗達安排愛因斯坦與蘇聯間諜頭目會面。
同時，她又成功地說服了經常去愛因斯坦那裡搞實驗的核武器專家和負責研制原子彈工作的科學家，為蘇聯提供了核武器制造的大量資料。除此之外，瑪加麗達還把愛因斯坦介紹給了蘇聯領事館的一等秘書。愛因斯坦向蘇聯提供了最新的飛彈、核武器的尖端技術資料。
任務完成後，瑪加麗達必須要離開愛因斯坦了，但瑪加麗達卻有些依依不舍。這麼多年來，瑪加麗達和愛因斯坦早已有了深厚的感情，瑪加麗達愛上了這個可愛的老頭，愛因斯坦也離不開瑪加麗達的陪伴。
瑪加麗達對愛因斯坦講的辭别理由是，自己的親屬離世，需要回去。愛因斯坦問她幾時回來，瑪加麗達輕聲說道：“很快。”在即将離别之際，瑪加麗達又一次為愛因斯坦梳理着他那花白蓬亂的頭發和濃密的胡須，愛因斯坦滿臉傷感地把手腕上刻有“愛因斯坦”字樣的金表，戴在了瑪加麗達的手腕上。
回到蘇聯的瑪加麗達被授予了英雄特工勳章，丈夫謝爾蓋被準許為科學院院士。夫婦倆得到了一套進階較高價的電梯大廈和一幢鄉間别墅，從此，他們遠離繁雜的莫斯科市中心，隐姓埋名，過起了平淡的生活。
不久，蘇聯的原子彈試驗成功，這讓美英政界反映強烈，蘇聯研制核武器的速度如此之快，完全超出了他們的預期。
而愛因斯坦自1945年之後，就遠離了核試驗。當同時代科學家還在熱衷分裂原子，制造原子彈和發現新粒子時，他卻宣布退休，開始重新修訂起更高深莫測的“統一論”來，隻是沒有了瑪加麗達的日子，愛因斯坦倍感寂寞。
1955年，愛因斯坦因主動脈瘤破裂在休斯敦逝世。1971年，瑪加麗達在莫斯科去世。瑪加麗達的後人在整理遺物時，發現了9封用德文和英文所寫的情書，信的末尾署名是阿爾伯特·愛因斯坦。
隻是愛因斯坦到死都不知道，這個自己鐘愛的女人竟然是個間諜。他們在一起生活的時候，瑪加麗達使愛因斯坦感到快樂和溫暖，這對一個害怕孤獨的老人來說，那段時光很美好。
