1840. Mary Anning (Kate Winslet) fut une paléontologue renommée mais vit aujourd'hui modestement avec sa mère sur la côte sud et sauvage de l'Angleterre. Mary glane des ammonites sur la plage et les vend à des touristes fortunés. L'un d'eux, Roderick Murchison en partance pour un voyage d'affaires, lui demande de prendre en pension son épouse convalescente, Charlotte (Saoirse Ronan). C'est le début d'une histoire d'amour passionnée qui défiera toutes les barrières sociales et changera leurs vies à jamais.