En una serie de flashbacks, Maria Altmann recuerda el Anschluss, la llegada de las fuerzas nazis a Viena, la persecución de la comunidad judía y los saqueos y pillajes de los nazis contra las familias judías. Maria Altmann y los miembros de su familia intentan huir a Estados Unidos. Aunque Altmann y su marido tienen éxito, ella se ve obligada a abandonar a sus padres en Viena.

En el presente, viviendo en Los Ángeles, una Altmann anciana y viuda asiste al funeral de su hermana. Descubre unas cartas en posesión de su hermana que datan de finales de los años cuarenta y que revelan un intento de recuperar las obras de arte de la familia Bloch-Bauer que se quedaron atrás durante la huida de la familia hacia la libertad y que fueron robadas por los nazis. Destaca un cuadro de la tía de Altmann, Adele Bloch-Bauer, ahora conocida en Austria como la "Mujer de Oro".

Altmann recurre a la ayuda de E. Randol Schoenberg (el hijo de su íntima amiga, Barbara), un abogado con poca experiencia, para presentar una reclamación ante la junta de restitución de obras de arte en Austria. De regreso a su país de origen, Altmann descubre que el ministro y el director de arte del país no están dispuestos a desprenderse del cuadro, que consideran que ha pasado a formar parte de la identidad nacional. Le dicen que el cuadro fue legado legítimamente a la galería por su tía. Tras una investigación más profunda por parte de su abogado y del periodista austriaco Hubertus Czernin, esta afirmación resulta ser errónea, ya que el supuesto testamento no es válido debido a que su tía no era la propietaria del cuadro, ya que los honorarios del artista fueron pagados por el tío de Altmann. Adele Bloch-Bauer quería que el cuadro fuera al museo a la muerte de su marido, pero los nazis se lo quitaron y un conservador colaborador de los nazis lo colocó en el museo, mucho antes de su muerte. Schoenberg presenta un recurso ante la junta de restitución de obras de arte, pero se lo deniegan y Altmann no tiene el dinero necesario para impugnar la sentencia. Derrotados, ella y Schoenberg regresan a Estados Unidos.

Meses más tarde, al encontrar un libro de arte con "Mujer de oro" en la portada, Schoenberg tiene una epifanía. Recurriendo a una estrecha norma jurídica y a los precedentes en los que se aplicó retrospectivamente una ley de restitución de obras de arte, Schoenberg presenta una demanda en los tribunales estadounidenses contra el gobierno austriaco impugnando su reclamación del cuadro. La apelación llega al Tribunal Supremo de los Estados Unidos, donde en el asunto República de Austria contra Altmann, el tribunal falla a favor de Altmann, lo que hace que el gobierno austriaco intente convencer a Altmann de que se quede con el cuadro para la galería, a lo que ella se niega. Después de una discusión sobre la cuestión de volver a Austria por segunda vez para argumentar el caso, Altmann acepta que Schoenberg vaya a argumentar el caso ante un panel de tres árbitros en Viena.

En Austria, el panel escucha el caso, durante el cual Schoenberg les recuerda los crímenes del régimen nazi. Implora al panel de arbitraje que piense en el significado de la palabra "restitución" y que mire más allá de las obras de arte que cuelgan en las galerías de arte para ver la injusticia que se comete con las familias que una vez fueron propietarias de esos grandes cuadros y que fueron separadas de ellos a la fuerza por los nazis. Inesperadamente, Altmann llega durante la sesión, indicando a Czernin que ha venido a apoyar a su abogado. Tras considerar ambas partes del conflicto, el tribunal arbitral falla a favor de Altmann, devolviéndole los cuadros. El representante del gobierno austriaco hace una propuesta de última hora en la que ruega a Altmann que conserve los cuadros en el Belvedere a cambio de una generosa indemnización. Altmann se niega y opta por trasladar los cuadros a Estados Unidos con ella ("Ahora viajarán a América como una vez tuve que hacerlo yo también") y acepta una oferta hecha anteriormente por Ronald Lauder de adquirirlos para que su galería de Nueva York exponga la pintura con la condición de que sea una exposición permanente.