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, Murchison, arriva a Lyme, 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 del 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.