En la década de 1840, la aclamada paleontóloga autodidacta Mary Anning (Kate Winslet) trabaja sola en la salvaje y brutal costa del sur de Inglaterra, en Lyme Regis. Tras sus famosos descubrimientos, ahora busca fósiles comunes para venderlos a los turistas ricos y así poder mantenerse a sí misma y a su madre viuda y enferma. Cuando uno de esos turistas, Roderick Murchison, llega a Lyme en la primera etapa de una gira europea, confía a Mary el cuidado de su joven esposa, Charlotte (Saoirse Ronan), que se está recuperando de una tragedia personal. Mary, cuya vida es una lucha diaria en el umbral de la pobreza, no puede permitirse el lujo de rechazarlo, pero, orgullosa e implacablemente apasionada por su trabajo, choca con su indeseado huésped. Son dos mujeres de mundos completamente diferentes. Sin embargo, a pesar del abismo entre sus esferas sociales y sus personalidades, Mary y Charlotte descubren que cada una puede ofrecer lo que la otra ha estado buscando: la comprensión de que no está sola. Es el comienzo de una relación amorosa apasionada y absorbente que desafiará todos los límites sociales y alterará el curso de las vidas de ambas de forma irrevocable.
