El naturalista británico Charles Darwin es un joven padre de familia que lleva una vida tranquila en un pueblo idílico. Es un hombre brillante y profundamente emotivo, entregado a su mujer y a sus hijos. Darwin quiere especialmente a su hija mayor, Annie, una niña precoz y curiosa de diez años. Le enseña muchas cosas sobre la naturaleza y la ciencia, incluida su teoría de la evolución, y le cuenta historias de sus viajes. Su historia favorita, a pesar del triste final, es la de la joven orangután Jenny, que es llevada de Borneo al zoo de Londres, donde finalmente muere de neumonía en brazos de su cuidador. Darwin se enfurece cuando se entera de que el clérigo de la familia ha obligado a Annie a arrodillarse sobre sal gema como castigo por contradecirle sobre los dinosaurios, que ella da por extinguidos hace mucho tiempo. Esto contradice la posición de su iglesia de que la vida es inmutable y que la Tierra es muy joven -el Creacionismo de la Tierra Joven era una herejía entonces reciente tomada como dogma por los Adventistas del Séptimo Día.

Tras regresar de su expedición a las islas Galápagos 15 años antes, Darwin sigue intentando terminar un manuscrito sobre sus descubrimientos, que articulará su teoría de la evolución. El retraso se debe a la ansiedad que le produce la relación con su devota esposa religiosa, Emma, que se opone radicalmente a sus ideas, que suponen una amenaza para la teología anglicana establecida. A Emma le preocupa que ella pueda ir al cielo y él no, separándoles para la eternidad.

La película muestra a Annie, a través de flashbacks y alucinaciones de Darwin, como una aparición vibrante que incita a su padre a afrontar sus miedos y terminar su gran obra. Es evidente que Annie ha muerto, y que su muerte es un tema tabú entre Darwin y Emma, ya que ambos se sienten intensamente culpables de su muerte. Como consecuencia de las tensas relaciones entre Charles y Emma, dejan por completo de mantener relaciones sexuales. Angustiado, Darwin comienza a padecer una misteriosa y fatigosa enfermedad.

Se revela que, tras enfermar Annie en 1851, Darwin la lleva a la ciudad de Malvern, en Worcestershire, para someterse a la terapia de cura con agua de James Manby Gully, en contra de la voluntad de Emma. El estado de Annie empeora y finalmente muere después de que su padre, a petición de ella, le cuente una vez más la historia de Jenny. Darwin queda desolado y su muerte refuerza su convicción de que las leyes naturales funcionan sin intervención divina. Para sus contemporáneos, se trata de una idea tan peligrosa que parece amenazar la existencia de Dios (en realidad, los mayores partidarios de Darwin eran creyentes). En una caja del estudio de Darwin, descubrimos las notas y observaciones que se convertirán en Sobre el origen de las especies.

Tras leer su sinopsis de 230 páginas, los amigos de Darwin en la comunidad científica, Joseph Dalton Hooker y Thomas Henry Huxley, también le animan. Huxley le dice con admiración que con su teoría ha "matado a Dios", lo que llena a Darwin de pavor. En sus alucinaciones, también siente que Annie desaprueba su dilación.

En 1858, Darwin recibe una carta de Alfred Russel Wallace, que detalla en 20 páginas los mismos descubrimientos que Darwin. Tiene sentimientos encontrados al respecto; todo su trabajo puede haber sido en vano, pero por otra parte, como no tendrá que escribir su libro, la discordia con Emma se curará. Sin embargo, los amigos de Darwin le instan a continuar, ya que su libro es mucho más completo.

Tras recibir tratamiento en el propio Malvern, Darwin peregrina al hotel donde murió Annie. El viaje marca un cambio en él; a su regreso a casa, es capaz de reencontrarse con su esposa, y se hablan por primera vez de sus temores y su dolor por la muerte de Annie. Hablan específicamente de la posibilidad de que Annie muriera porque era genéticamente débil, ya que Darwin y Emma son primos hermanos. Su renovada devoción restablece la salud de Darwin, que puede reanudar su trabajo. Emma también recupera la fe en su matrimonio y las fuerzas para apoyar su controvertido trabajo. Darwin decide que Emma tome la decisión de publicar su obra. Tras leer el manuscrito, ella se lo devuelve discretamente, habiendo dirigido el paquete a la editorial John Murray de Londres. Emma acepta que ahora es "cómplice", pero espera que Dios les perdone a ambos.

Darwin camina por el sendero con el paquete en la mano. Cuando llega el cartero, Darwin vacila y casi deja que se vaya con las manos vacías. El cartero se aleja, inconsciente de la poderosa idea que está a punto de lanzar al mundo. Mientras Darwin vuelve a casa, la pequeña figura de Annie camina a su lado.