En agosto de 1904, Sabina Spielrein llega al Burghölzli, el principal hospital psiquiátrico de Zúrich, aquejada de histeria y comienza un nuevo tratamiento con el joven médico suizo Carl Jung. Éste utiliza la asociación de palabras y la interpretación de los sueños como parte de su enfoque del psicoanálisis, y descubre que la condición de Spielrein se desencadenó por la humillación y la excitación sexual que sintió de niña cuando su padre la azotó desnuda.

Jung y el jefe de medicina Eugen Bleuler reconocen la inteligencia y la energía de Spielrein y le permiten ayudarles en sus experimentos. Ella mide las reacciones físicas de los sujetos durante la asociación de palabras, para proporcionar datos empíricos como base científica para el psicoanálisis. Pronto se entera de que gran parte de esta nueva ciencia se basa en las observaciones que los médicos hacen de sí mismos, de los demás y de sus familias, y no sólo de sus pacientes. Los médicos, Jung y Freud, mantienen una larga correspondencia antes de conocerse, y comienzan a compartir sus sueños y a analizarse mutuamente, y el propio Freud pronto adopta a Jung como su heredero y agente.

Jung encuentra en Spielrein un espíritu afín, y su atracción se profundiza debido a la transferencia. Jung se resiste a la idea de engañar a su mujer, Emma, y romper el tabú del sexo con un paciente, pero su determinación se ve debilitada por las salvajes e impenitentes confidencias de su nuevo paciente Otto Gross, un psicoanalista brillante, mujeriego e inestable. Gross critica la monogamia en general y sugiere que la resistencia a la transferencia es sintomática de la represión de los impulsos sexuales normales y sanos, exhortando a Jung a entregarse con desenfreno.

Finalmente, Jung comienza una aventura con Spielrein, que incluye rudimentos de bondage y azotes. Las cosas se enredan aún más cuando él se convierte en su asesor para su disertación; publica no sólo sus estudios sobre ella como paciente, sino también su tratado. Spielrein quiere concebir un hijo con Jung, pero éste se niega. Después de su intento de volver a limitar su relación a la de médico y paciente, ella recurre a Freud para que la ayude profesionalmente, y obliga a Jung a contarle a Freud la verdad sobre su relación, recordándole que podría haberle perjudicado públicamente pero que no quiso hacerlo.

Jung y Freud viajan a Estados Unidos. Sin embargo, aparecen grietas en su amistad, ya que empiezan a discrepar con más frecuencia en cuestiones de psicoanálisis. Jung y Spielrein se reúnen para trabajar en la tesis de ella en Suiza, y comienzan de nuevo su relación sexual. Sin embargo, después de que Jung se niegue a dejar a su esposa por ella, Spielrein decide ir a Viena. Conoce a Freud y le dice que, aunque está de su lado, cree que él y Jung deben reconciliarse para que el psicoanálisis siga desarrollándose.

Tras el colapso de Freud en una conferencia académica, él y Jung continúan la correspondencia por carta. Deciden poner fin a su relación tras las crecientes hostilidades y acusaciones por las diferencias en su conceptualización del psicoanálisis. Spielrein se casa con un médico ruso y, estando embarazada, visita a Jung y a su esposa. Hablan del psicoanálisis y de la nueva amante de Jung. Jung le confiesa que su amor por Spielrein le hizo mejor persona.

La nota a pie de página de la película revela el destino final de los cuatro analistas. Gross murió de hambre en Berlín en 1920. Freud murió de cáncer en Londres en 1939 tras ser expulsado de Viena por los nazis. Spielrein formó a varios analistas en la Unión Soviética, antes de que ella y sus dos hijas fueran fusiladas por los nazis en 1942. Jung salió de una crisis nerviosa y se convirtió en el principal psicólogo del mundo antes de morir en 1961.