En la década de 1840, la coleccionista de fósiles y paleontóloga Mary Anning vive con su madre enferma, Molly, que ayuda a Mary a llevar una pequeña tienda en Lyme Regis, Dorset. Mary pasa las primeras mañanas recorriendo la playa con la marea baja en busca de fósiles para su tienda, siendo los diminutos amonites su hallazgo más habitual. Cuando regresa, ayuda a su madre a lavar y pulir una colección de ocho figuras de animales.

Un día, el geólogo Roderick Murchison visita la tienda de Mary acompañado de su esposa, Charlotte. Expresa su admiración por el trabajo de Mary y se ofrece a pagarle una excursión guiada a la costa donde podrá aprender de Mary sobre la recolección de fósiles. Aunque en un principio se muestra contraria, Mary acepta su oferta. Esa noche, en su habitación del Hotel Three Cups, Roderick trata a Charlotte con frialdad, rechazando sus avances sexuales, ya que afirma que no es el momento de tener otro bebé.

Roderick regresa de su viaje matutino con Mary a la costa y encuentra a Charlotte confinada en su cama en un estado depresivo. Vuelve a la tienda de Mary y le revela que Charlotte ha sido enviada en convalecencia a Lyme Regis, y la confía al cuidado de Mary ya que él partirá a Europa para una expedición de cuatro a seis semanas. Mary acepta a regañadientes, pues no quiere dejar pasar el dinero. Charlotte comienza a salir con Mary en sus excursiones matutinas a la playa.

Después de bañarse en el mar como parte de su rehabilitación, Charlotte cae enferma con fiebre alta. Su médico, el Dr. Lieberson, le prescribe reposo en cama y asigna a Mary como enfermera de cabecera. Mary visita a su amiga Elizabeth Philpot, a la que compra un frasco de pomada para ayudar a la recuperación de Charlotte. Mary rechaza la oferta amistosa de Elizabeth de visitarla. Charlotte se recupera rápidamente y a partir de entonces acompaña a Mary en más salidas e intenta ayudar en las tareas domésticas. Junto con Mary, es capaz de construir un marco de espejo hecho de bayas de vaca. Entristecida por sus propios intentos fallidos de tener un bebé, Charlotte se entera de que las figuritas que Molly limpia cada día representan a sus ocho hijos fallecidos.

El Dr. Lieberson visita la tienda e invita a Mary a un recital nocturno. Mary acepta, pero insiste en llevar también a Charlotte, que cree que se ha recuperado por completo. Esa noche, Charlotte conoce y se relaciona con la gente del pueblo mientras una abrumada y celosa Mary fuma fuera, bajo la lluvia, mientras mira por la ventana. Observan un espectáculo de linternas mágicas ambientado en una actuación de violonchelo antes de que Mary se marche y regrese a su casa durante la tormenta. Charlotte llega poco después y encuentra a Mary escribiendo un poema romántico en su diario.

Con las tablas de un barco varado, Mary y Charlotte trasladan una gran roca a la tienda. En su interior encuentran el fósil de un ictiosaurio similar al que Mary encontró a los 11 años y envió al Museo Británico. Mientras limpian las herramientas de Mary para prepararse para la cama, Charlotte besa a Mary por la noche; esto enciende su persistente atracción, y practican sexo oral. Su relación florece, y se bañan alegremente en el mar y comparten sus comidas. Pronto llega una carta de Roderick en la que ordena a Charlotte que regrese a su casa en Londres. Angustiadas, Charlotte y Mary tienen sexo apasionado la noche anterior a la partida de Charlotte. Tiempo después, Molly sufre una caída en su casa y muere poco después. Elizabeth visita a la deprimida Mary para expresarle sus condolencias. Ella anima a Mary a no abandonar su relación con Charlotte, como hizo Mary con su propia relación romántica tras la muerte del padre de Mary.

Mary recibe una carta de Charlotte pidiéndole que haga el viaje a Londres. Al llegar a la casa de los Murchison, Mary ve uno de sus grandes fósiles de amonita expuesto en una vitrina. Charlotte lleva a Mary al piso de arriba, donde le muestra un dormitorio completamente amueblado para que se instale en él. Perturbada, Mary se marcha tras acusar a Charlotte de no respetar su vida, afirmando que no se convertirá en un adorno para que Charlotte la exhiba en una "jaula dorada".

En el Museo Británico, Mary se abre paso por las salas de pinturas y esculturas. Encuentra la vitrina que contiene su ictiosaurio original, pero comprueba que no la menciona. Charlotte llega y las dos mujeres se miran a través del cristal.