1935年，美国普林斯顿大学邀请苏联雕塑家谢尔盖为科学家爱因斯坦塑一个雕像，他的妻子玛加丽达作为助手一同前往。56岁的爱因斯坦看到优雅美丽的玛加丽达后，竟坠入了情网，可玛加丽达夫妇都是苏联间谍。
爱因斯坦是为了逃避德国纳粹的迫害，来到了美国，而他的第二个妻子爱尔莎刚病逝不久。这些打击让科学家爱因斯坦倍感孤独寂寞。玛加丽达的到来，让爱因斯坦眼前一亮，顿时对这个长相出众，善解人意的女人一见倾心。
爱因斯坦向来对女人有着极大兴趣，此后他常以各种理由频繁邀请玛加丽达来他的工作室坐坐，这正中玛加丽达下怀。他们夫妇是受命来到美国的，作为间谍，主要目的就是接近在这里工作的科学家和科学研究人员，以获取重要科学研究情报，尤其是像爱因斯坦这样的大科学家。
爱因斯坦的热情，给了玛加丽达接近科学家的机会，她时不时地来到爱因斯坦的工作室，照顾他的起居饮食，在爱因斯坦不工作的时候，陪着他聊天散步，继而投入了科学家的怀抱。
两人经常一起出现在公众场合当中，使得人们对他们的关系有了很多猜测。玛加丽达的老公谢尔盖对此事却始终缄默，他知道，为了肩负的使命，他必须有所牺牲。
和爱因斯坦的往来中，玛加丽达收集到了许多有关美国军事科学发展的情报，并结交了不少杰出的科学家和具有重要身份的专家学者，有几个人竟被玛加丽达成功策反，成了苏联间谍的线人。
1939年，第二次世界大战爆发，爱因斯坦在此时发现了铀核裂变及其链式反应，便给当时的美国总统罗斯福写了封信，建议美国加紧研制原子弹，以防止德国纳粹先一步研制成功，给世界带来危害。
1942年5月，苏联一个年轻的物理学家，也是一名空军中尉，在翻阅美英科技杂志时，发现有关核裂变的文章及这一领域学者的名字突然销声匿迹。他推断是美国正在秘密制造原子弹，于是他写信给斯大林，提出了“抓紧时间制造原子弹至关重要”的想法。
很快，斯大林做出了“苏联必须优先快速发展核武器”的决定，并建立了一个隶属于科学院的原子实验室。还没等苏联方面研制成功，1945年7月16日，在美国的新墨西哥州沙漠上，美国率先升起了巨大的蘑菇云，宣告世界上第一颗实验用原子弹爆炸成功。
紧接着，1945年8月6日和8月9日，美国先后在日本的广岛和长崎两地投下了两颗原子弹，造成了数万平民死亡，而散发出的核放射，给活下来的人带来了的永久性的伤害。
爱因斯坦知道后非常气愤，他提出制造原子弹并不是想要让它伤及无辜。因此，爱因斯坦发表公开讲话说：“参加过研制这种历史上最可怕最危险武器的物理学家，即使不算犯罪，也被同样的责任感所烦恼。”
美国的成功让苏联有了紧迫感，他们命令玛加丽达，要尽一切办法获取核武器的尖端资料，最好让爱因斯坦与苏联建立起经常性的友好联系。多年来对爱因斯坦体贴入微的玛加丽达，她的间谍身份正式上线。
首先，玛加丽达利用爱因斯坦对自己的情感依恋，针对他对美国的不满，在潜移默化中使得爱因斯坦的感情倾向了苏联。随后，玛加丽达安排爱因斯坦与苏联间谍头目会面。
同时，她又成功地说服了经常去爱因斯坦那里搞实验的核武器专家和负责研制原子弹工作的科学家，为苏联提供了核武器制造的大量资料。除此之外，玛加丽达还把爱因斯坦介绍给了苏联领事馆的一等秘书。爱因斯坦向苏联提供了最新的导弹、核武器的尖端技术资料。
任务完成后，玛加丽达必须要离开爱因斯坦了，但玛加丽达却有些依依不舍。这么多年来，玛加丽达和爱因斯坦早已有了深厚的感情，玛加丽达爱上了这个可爱的老头，爱因斯坦也离不开玛加丽达的陪伴。
玛加丽达对爱因斯坦讲的辞别理由是，自己的亲属离世，需要回去。爱因斯坦问她几时回来，玛加丽达轻声说道：“很快。”在即将离别之际，玛加丽达又一次为爱因斯坦梳理着他那花白蓬乱的头发和浓密的胡须，爱因斯坦满脸伤感地把手腕上刻有“爱因斯坦”字样的金表，戴在了玛加丽达的手腕上。
回到苏联的玛加丽达被授予了英雄特工勋章，丈夫谢尔盖被批准为科学院院士。夫妇俩得到了一套高级公寓和一幢乡间别墅，从此，他们远离繁杂的莫斯科市中心，隐姓埋名，过起了平淡的生活。
不久，苏联的原子弹试验成功，这让美英政界反映强烈，苏联研制核武器的速度如此之快，完全超出了他们的预期。
而爱因斯坦自1945年之后，就远离了核试验。当同时代科学家还在热衷分裂原子，制造原子弹和发现新粒子时，他却宣布退休，开始重新修订起更高深莫测的“统一论”来，只是没有了玛加丽达的日子，爱因斯坦倍感寂寞。
1955年，爱因斯坦因主动脉瘤破裂在休斯敦逝世。1971年，玛加丽达在莫斯科去世。玛加丽达的后人在整理遗物时，发现了9封用德文和英文所写的情书，信的末尾署名是阿尔伯特·爱因斯坦。
只是爱因斯坦到死都不知道，这个自己钟爱的女人竟然是个间谍。他们在一起生活的时候，玛加丽达使爱因斯坦感到快乐和温暖，这对一个害怕孤独的老人来说，那段时光很美好。
