Negli anni '40 del 1800, la celebre paleontologa autodidatta Mary Anning (Kate Winslet) lavora da sola sulla costa selvaggia e brutale di Lyme Regis, nell'Inghilterra meridionale. Lasciatasi alle spalle i giorni delle sue rinomate scoperte, adesso va in cerca di fossili comuni per venderli ai turisti per sostentare se stessa e la madre vedova e malata. Quando un turista, Roderick Murchison, arriva a Lyme, prima tappa di un suo viaggio in Europa, incarica Mary di prendersi cura della sua giovane moglie, Charlotte (Saoirse Ronan), che si sta riprendendo da una tragedia personale. Mary, la cui vita è una lotta quotidiana contro la povertà, non può permettersi di rifiutare, ma, orgogliosa e implacabilmente appassionata per il suo lavoro, si scontra con la sua ospite indesiderata. Sono donne provenienti da mondi diversi. Eppure, nonostante la diversa estrazione sociale e personalità, Mary e Charlotte scoprono che possono offrirsi a vicenda ciò di cui hanno bisogno: la consapevolezza di non essere sole. È l'inizio di una storia d'amore pervasiva e appassionata che sfiderà ogni convenzione sociale e cambierà irrevocabilmente il corso della vita di entrambe.