En 1993, Erin Brockovich es una madre soltera en paro con tres hijos que acaba de resultar herida en un accidente de tráfico con un médico y le demanda. Su abogado, Ed Masry, espera ganar, pero el comportamiento conflictivo de Erin en el interrogatorio le hace perder el caso, y Ed no le devuelve las llamadas. Un día, llega al trabajo y la encuentra en la oficina, aparentemente trabajando. Ella dice que él le dijo que las cosas se arreglarían y no fue así, y que necesitaba un trabajo. Le pide trabajo a Ed, que se lo da a regañadientes.

Erin recibe los expedientes de un caso inmobiliario en el que la Pacific Gas and Electric Company (PG&E) ofrece comprar la casa de Donna Jensen, residente en Hinkley, California. Erin se sorprende al ver historiales médicos en un expediente inmobiliario y visita a Donna, quien le explica que simplemente había guardado toda la correspondencia de PG&E junta. Donna agradece la ayuda de PG&E: ella ha tenido varios tumores y su marido tiene un linfoma de Hodgkin, pero PG&E siempre le ha proporcionado un médico a su costa. Erin pregunta por qué lo hacen y Donna responde: "por el cromo". Erin empieza a investigar el caso y encuentra pruebas de que las aguas subterráneas de Hinkley están gravemente contaminadas con cromo hexavalente cancerígeno, mientras que PG&E ha estado diciendo a los residentes de Hinkley que utilizan una forma más segura de cromo. Tras varios días fuera de la oficina investigando, descubre que han desaparecido sus pertenencias de su escritorio. Brenda, la secretaria del Sr. Masry, le informa de que ha sido despedida por faltar una semana al trabajo. A pesar de protestar que ha estado fuera investigando, Erin se marcha derrotada.

Más tarde, Ed visita a Erin porque necesita los documentos que encontró mientras investigaba, y ella aprovecha para pedirle a cambio que le devuelva el trabajo. Contratada de nuevo, continúa su investigación y, con el tiempo, visita a muchos residentes de Hinkley y se gana su confianza. Ed y Erin organizan una barbacoa para hablar con muchos de los residentes y explicarles lo que PG&E ha estado intentando hacer, momento en el que uno de los hombres flirtea incómodamente con Erin. Erin y Ed descubren numerosos problemas médicos en Hinkley, y que prácticamente todos han sido tratados por médicos de PG&E que les han hecho creer que sus problemas no están relacionados con el "seguro" cromo. La reclamación de indemnización de los Jensen acaba convirtiéndose en una importante demanda colectiva. Desgraciadamente, Ed explica que todas las pruebas directas están vinculadas únicamente a PG&E Hinkley, y no a PG&E corporativa. Hasta que la sede central pueda ser implicada, PG&E corporate puede negar cualquier conocimiento de lo que está sucediendo en Hinkley.

Sabiendo que PG&E podría retrasar cualquier acuerdo durante años con retrasos y recursos, Ed decide optar por un arbitraje vinculante en lugar de un juicio con jurado, pero PG&E sólo aceptará el arbitraje si el 90% de los demandantes está de acuerdo. Durante una reunión en el ayuntamiento con los residentes de Hinkley, Ed repasa el plan y todos se sienten inseguros. En un momento dado, Erin descubre al hombre que coqueteó con ella en la barbacoa. Ella ignora las miradas del hombre, mientras Ed se esfuerza por explicar las ventajas del arbitraje frente a una batalla de 10-15 años en los tribunales. Al final, todos los asistentes aceptan y, durante varios días, Ed y Erin convencen a los 634 demandantes para que acepten.

Una noche, Erin se detiene en un bar para ver a uno de los residentes, cuando se topa inesperadamente con el hombre que había visto en los dos últimos eventos de Hinkley. Tras una incómoda conversación, el hombre revela llamarse Charles Embry; un antiguo empleado de PG&E que en su trabajo recibió la orden de "destruir documentos". Erin se da cuenta de que Charles ha estado intentando confiar en ella y por fin escucha su historia. Charles le cuenta a Erin que tanto él como su primo eran empleados de PG&E Hinkley. Con el corazón roto, le cuenta que su primo acaba de morir, dolorosamente por el veneno con el que interactuó en PG&E. Continúa explicando que PG&E le encargó la destrucción de documentos, pero "resulta que no era un buen empleado".

Embry entrega a Erin los documentos, incluido un memorándum de 1966 que demuestra que la sede central de la empresa sabía que el agua estaba contaminada con cromo hexavalente y aconsejó a PG&E Hinkley que lo mantuviera en secreto. El juez ordena a PG&E pagar una indemnización de 333 millones de dólares a repartir entre los demandantes, de los cuales 5 millones son para los Jensen. Erin lleva a su novio con ella cuando se lo cuenta, y él se alegra cuando comprende para qué ha servido todo.

Después, Ed le entrega a Erin su bonificación por el caso, pero le advierte de que ha cambiado la cantidad. Ella supone que la ha reducido y empieza a quejarse en voz alta de que merece más respeto, pero se queda atónita al descubrir que ha aumentado la cantidad y le ha pagado dos millones de dólares.