A não-convencional vida de Wiliam Marston, psicólogo e inventor de Harvard que ajudou a tornar real o Detector de Mentiras e que também criou a Mulher-Maravilha, personagem dos quadrinhos, em 1941. Marston mantinha uma relação polígama envolvendo sua esposa Elizabeth Marston, psicóloga e inventora, e Olive Byrne, uma ex-aluna que virou acadêmica. Essa relação e os ideais feministas das duas mulheres foram essenciais para a criação da personagem.

Em Baltimore do século 19, Isabel Porter, uma garota em luto pela morte prematura de seus pais, interna-se voluntariamente no Instituto Rosewood. Utilizada como cobaia em cada vez mais violentos experimentos pseudo-científicos bizarros para alteração da personalidade, lavagem cerebral e controle da mente, ela deve escapar das garras de Rosewood ou se perderá para sempre.

Em crise existencial, o professor de filosofia Abe Lucas (Joaquin Phoenix) chega para lecionar em uma pequena cidade dos Estados Unidos. Logo uma de suas alunas, Jill (Emma Stone), se aproxima dele devido ao fascínio que sente pelo seu intelecto, além da tristeza que sempre carrega consigo. Simultaneamente, ele é alvo de Rita (Parker Posey), uma professora casada que tenta ter um caso com ele. A vida começa a melhorar para Abe quando, numa ida à lanchonete com Jill, ouve a conversa de uma desconhecida sobre a perda da guarda do filho devido à uma decisão do juiz Spangler (Tom Kemp). Abe logo começa a idealizar o assassinato de Spangler e como, por ser um completo desconhecido, jamais seria descoberto.