L'Irlandaise Philomena Lee n'a jamais parlé de son séjour de quatre ans au couvent des Soeurs du Sacré-Coeur, ni du dur labeur qu'elle a enduré dans leur laverie, encore moins de l'enfant qu'elle avait eu hors mariage et que ces dernières ont donné en adoption. Résolue plus que jamais à le retrouver, l'infirmière à la retraite avoue son secret à sa fille Jane, qui la met en contact avec le journaliste Martin Sixsmith. Récemment éclaboussé par un scandale qui lui a coûté son poste à la BBC, Martin accepte de se lancer dans cette enquête en compagnie de Philomena, une femme modeste, pieuse et crédule, à des années-lumière de l'homme cynique et pas très gentil qu'il est devenu. Ensemble, ils se rendent au couvent où le destin de Philomena a basculé, mais les religieuses ne leur sont d'aucun secours. Une piste inattendue, dénichée par Martin, leur apprend que l'enfant aurait été vendu à un couple d'Américains. Commandité par un journal populaire désireux de faire paraître l'histoire de Philomena, le tandem monte dans l'avion, direction Washington.