Margaret Keane (Amy Adams) ha estado produciendo los cuadros de ojos grandes y desvalidos durante 10 años mientras su segundo marido, Walter, se lleva el mérito. Las pinturas de los niños son una sensación mundial y Walter decide que su pieza de resistencia será presentada en la Feria Mundial; sin embargo es criticada y finalmente nunca se exhibe. Con rabia, Walter intenta quemar el estudio de Margaret con ella y su hija dentro. Escapan ilesos y huyen a Hawai.

Walter finalmente los encuentra en Hawaii después de que Margaret solicita la separación legal pero para que Walter le conceda el divorcio, le exige que pinte 100 niños más y se los envíe. Ella accede y comienza a enviarle el arte, pero con su firma en ellos. Margaret también se convierte en testigo de Jehová durante este tiempo y se da cuenta de que necesita decirle al mundo la verdad sobre las pinturas.

Anuncia en un programa de radio local que ella es la verdadera artista y demanda a Walter por calumnia y compensación financiera. Durante el juicio Walter se representa a sí mismo y parece desentrañarse ante los ojos del tribunal. El juez determina que la única manera de probar quién es el verdadero artista es que cada uno pinte un niño de ojos grandes en una hora con el tribunal mirando. Margaret inmediatamente comienza a pintar mientras Walter entra en pánico e inventa una excusa de que su hombro está dolorido y no puede pintar. El jurado falla a favor de Margaret y al salir del tribunal, un admirador le pide un autógrafo.

La película termina contándonos que Walter pasó el resto de su vida diciendo que era el verdadero artista y que murió en el año 2000 sin un céntimo. Margaret finalmente se mudó a California desde Hawai y sigue viva hoy en día y pinta a diario.