Martin Sixsmith (Steve Coogan), un exitoso periodista que trabajaba como asesor del gobierno británico, ve cómo su carrera se desploma por un escándalo político. Queda cesante, no tiene expectativas a futuro y su única aspiración es escribir un libro sobre historia rusa. Quiere volver a ser periodista, pero es exigente y no aceptará reportear cualquier historia que se le presente por delante. A la vez, la anciana Philomena Lee (Judy Dench) revela a su hija que hace cincuenta años, cuando era sólo una adolescente, dio a luz a un niño que fue dado en adopción en contra de su voluntad en un convento de monjas irlandesas.

Philomena quedó embarazada durante un breve romance con un adolescente en una feria de verano. Su padre la declaró muerta y la envió a un convento. Allí nació Anthony. Philomena no podía irse del lugar porque tenía que trabajar allí como lavandera para pagar a deuda que adquirió al ser recibida por las monjas, quienes le permitían ver al niño por una hora diaria. Así pasaron cuatro años, hasta que un día el menor fue dado en adopción sin su consentimiento.

Durante medio siglo la mujer se dedicó a buscar a su hijo sin resultados, hasta que finalmente decidió contarle todo a su hija, quien revela el caso de su madre a Martin Sixmith en un evento en el cual ella trabajaba como garzona. El periodista inicialmente rechaza tomar contacto con la anciana, porque no siente afinidad con las "historias de tipo humano", pero luego reconsidera la situación e inician juntos la búsqueda del hijo perdido.

El director Stephen Frears construye un sólido relato utilizando la verdadera historia de esta mujer irlandesa. La producción aborda los abusos de la iglesia desde dos puntos de vista: el de Martin y el Philomena, lo cual enriquece la historia. Mientras él- ateo, intelectual y frio-, critica los hechos y arremete en contra de las monjas, ella- católica, amable y sencilla- intenta perdonar a quienes la separaron de Anthony.