苏联能在如此短的时间内造出原子弹，全靠一个女人，玛加丽塔·科涅库娃，她凭借着自己的美丽的外表和出色的外交手段，俘获的爱因斯坦的芳心，从而窃取了美国研制原子弹和发展高能物理的绝密情报。
玛加丽塔本来是一个艺术家的妻子，在1924随丈夫以学者的身份定居美国，但是她还有另一个重要的身份，就是代号卢卡斯的克格勃女间谍，潜伏在美国，随时准备出动。
1940年爱因斯坦为了逃避纳粹的迫害来到美国，普林斯顿大学邀请玛加丽塔丈夫科涅库夫为爱因斯坦塑一个雕像，得知这个消息，玛加丽塔的上司当即要求她借此机会与爱因斯坦结识。那一年玛加丽塔39岁，爱因斯坦56岁。因为玛加丽塔的祖国苏联也在受着纳粹的侵害，让同样被迫害屠杀的犹太人爱因斯坦惺惺相惜，两个人一同加入反战和平委员会，关系一天天逐渐密切。
在当时爱因斯坦的夫人已经去世，在玛加丽塔的有意无意的勾引下，生活苦闷爱因斯坦老房子着火再也克制不住自己开始对玛加丽塔展开了疯狂的追求，最美的鲜花，最丰盛的海鲜大餐都不能触动这个美女，原来这个美女最爱的是搞科研，学习物理。正常的男人到这里都会奇怪吧，哪有女人不爱衣服包包，反而会喜欢牛顿第一定律。但是爱因斯塔被爱情冲昏了头脑，大喜若狂，以为找到了知己，强烈要求普林斯顿大学把她聘为自己的助手。苏联要研发原子弹，除了通过参与“曼哈顿”计划的科学家获取情报外，从爱因斯坦这个世界上最智慧的大脑知晓开发原子弹的原理才是最近的捷径。
但是平时的旁敲侧击并不能得出太多关于原子弹的资料，在美国投放胖子和小男孩后，克格勃向玛加丽塔下了最后通牒，如果她再撬不开爱因斯坦的嘴巴，她在苏联的家人都会秘密消失。玛加丽塔想到自己的家人，知道克格勃的无情，无奈只能向爱因斯坦表露心声，失声痛哭。爱因斯坦在看到日本被原子弹轰炸后一直沉浸在深深的自责中，在加上情人的苦苦哀求，爱因斯坦明白为了全人类的和平，不能让美国垄断核技术，只能依靠苏联的牵制，才能遏制核战争。于是他把研究资料给了玛加丽塔。
玛加丽塔终于要走了，爱因斯坦苦苦的挽留，但是两人都知道这是无用的，这一别可能就是永别了。玛加丽塔回到祖国，成为了苏联的英雄，被媒体大肆宣传成原子弹之母，政府给予她丰厚的奖励，但是玛加丽塔觉得这些已经没必要了，她也许已经得到生命中最重要的东西了。
最后的时光里，玛加丽塔隐居到了乡间的小屋，远离了那些大国之争，再也不是什么女间谍，而是一个普通的女人，每天重读着爱因斯坦写给自己的几封情书，也许是这辈子再也忘不了的缘，至死一直珍藏着两人的感情，或许一开始只是为了窃取情报，但是后来真的变成了爱，不相见，亦怀恋。
