Irlande, 1952. Philomena Lee, encore adolescente, tombe enceinte. Rejetée par sa famille, elle est envoyée au couvent de Roscrea. En compensation des soins prodigués par les religieuses avant et pendant la naissance, elle travaille à la blanchisserie, et n’est autorisée à voir son fils, Anthony, qu’une heure par jour. À l’âge de trois ans, il lui est arraché pour être adopté par des Américains. Pendant des années, Philomena essaiera de le retrouver. Quand, cinquante ans plus tard, elle rencontre Martin Sixmith, journaliste désabusé, elle lui raconte son histoire, et ce dernier la persuade de l’accompagner aux Etats-Unis à la recherche d’Anthony.
En 1975, Gerry Conlon, jeune délinquant originaire de Belfast, est arrêté par la police londonienne qui l'accuse d'être l'instigateur des attentats terroristes à Guildford pour le compte de l'IRA. Sous la pression des policiers, Gerry signe des aveux fabriqués de toutes pièces qui non seulement le mettent en cause mais également Pau Hill son ami d'enfance, un couple d'amis hippies, ainsi que plusieurs membres de sa famille dont son propre père.