Sir Laurence Olivier (Kenneth Branagh) va a rodar una película en Londres. Colin Clark (Eddie Redmayne) un joven estudiante de cinematografía, se las arregla para trabajar en la producción. La llegada a Londres de la rubia explosiva Marilyn Monroe (Michelle Williams) para el rodaje revoluciona la ciudad, al mismo tiempo que Olivier intenta atender sus múltiples exigencias y manejar sus inseguridades a la hora de interpretar. Colin se siente atraído por la actriz, que también se interesa por él y le abre su mundo interior donde lucha con su fama, su belleza y su deseo de convertirse en una gran actriz.