A Paris, au début des années 1920, Irène Curie rencontre Frédéric Joliot à l'Institut du Radium. Ils tombent vite amoureux et se marient en 1926. Le couple unit ses forces dans la recherche. Après avoir manqué deux découvertes majeures, ils finissent par connaître leur heure de gloire. Le 14 janvier 1934, ils annoncent la découverte de la radioactivité artificielle, un triomphe historique que Marie Curie ne verra pas.

Après leur prix Nobel de 1935, les Joliot-Curie voient leurs chemins diverger : Irène s'engage en politique, Frédéric vise l'industrie. A Berlin, Hahn, Meitner et Strassmann découvrent, fin 1938, la fission de l'atome d'uranium. Frédéric prouve alors la réaction en chaîne et dépose des brevets. Einstein alerte Roosevelt du danger d'une arme d'un genre nouveau, juste avant que l'Europe ne bascule dans la guerre totale.

La France s'empare du stock d'eau lourde norvégien, indispensable à la maîtrise de la fission, avant les Allemands. Face à l'avancée des troupes d'Hitler, les Joliot-Curie quittent Paris avec leurs recherches. Irène part en sanatorium, et Frédéric finit par revenir dans la capitale. Protégé par un collègue allemand, il sauve son laboratoire et rejoint la Résistance. Arrêté puis libéré, il apprend le retard des recherches allemandes sur la bombe, alors que les Etats-Unis découvrent le plutonium.

Gravement malade, Irène part se soigner en Suisse où elle vit la guerre de loin, échangeant avec sa soeur et des amis. A Paris, Frédéric s'engage dans la clandestinité communiste et crée un explosif. Lors de la Libération, il combat dans les rues puis subit les interrogatoires des Américains qui se méfient de lui. Finalement, De Gaulle le charge de relancer la recherche scientifique française...

Après Hiroshima, Irène et Frédéric Joliot-Curie s'engagent dans la reconstruction scientifique française. En 1945, ils intègrent le Commissariat à l'Energie Atomique à des postes clés. Ensemble, ils conçoivent Zoé, la première pile atomique du pays, inaugurée en décembre 1948. Mais la Guerre Froide brise cet élan : accusé de sympathies communistes et pacifistes, Frédéric est révoqué en avril 1950...

Bien qu'atteint d'une grave cirrhose, Frédéric poursuit son engagement scientifique et politique. De son côté, Irène fait aboutir son projet de campus à Orsay, alors que la France ouvre sa première centrale nucléaire. Rejetée par l'Académie des Sciences car elle est une femme, Irène meurt d'une leucémie en 1956. Dévasté, Frédéric continue de lutter contre les armes nucléaires jusqu'à sa mort en 1958...