Cuando la adolescente irlandesa Philomena Lee se queda embarazada en 1952, la envían al convento de Roscrea, en el condado de Tipperary, para que se hagan cargo de ella al considerarla mujer de mala vida. Allí cuida de su bebé durante tres años, hasta que la Iglesia se lo arrebata y lo vende, como a muchos otros, para entregarlo en adopción en Estados Unidos. Aunque la obligan a firmar un documento en el que promete no intentar volver a ver a su hijo nunca más, pasa los siguientes cincuenta años de su vida buscándolo en secreto, sin saber que él también la está buscando desde el otro lado del Atlántico.

El hijo de Philomena, rebautizado con el nombre de Michael Hess, se hace mayor y se convierte en un reputado abogado de Washington y en un importante funcionario republicano durante los Gobiernos de Reagan y Bush. Pero es un hombre gay en un partido homófobo, lo que lo obliga a ocultar no solo su orientación sexual, sino también el hecho de que ha contraído el sida. Consciente de que le queda poco tiempo de vida, regresa a Irlanda y al convento donde nació. Su búsqueda desesperada para encontrar a su madre antes de morir tiene consecuencias inesperadas para todas las partes involucradas.