1963年，霍金21岁的人生发生了一悲一喜两个重大事件。这一年他被确诊患上了肌萎缩侧索硬化症，这种病会使他的身体越来越不听使唤，只剩下心脏、肺和大脑还能运转，最后连心肺功能也会丧失，当时大夫预言他只能再活两年。这一致命的打击几乎使霍金放弃了学业，但生日舞会上一个女孩的出现神奇地改变了一切，她就是霍金的第一任妻子简。
在史蒂芬·霍金的 21 岁生日聚会上，他遇到了一位新朋友简·王尔德。两人之间有很强的吸引力，简对史蒂芬关于星星和宇宙的谈论很感兴趣，但当史蒂芬突然发现自己无法站起来时，他意识到史蒂芬有什么问题。住院会导致令人痛苦的诊断。斯蒂芬患有运动神经元疾病，医生预计他的生存时间不会超过两年。斯蒂芬回到剑桥，新学期在他不在的情况下开始了。但他无法通过工作来掩盖自己的现实状况，因为他找不到博士学位的课题。当他的同事们全身心投入学术和大学生活时，斯蒂芬的生活似乎被搁置了。他拒绝了主管丹尼斯·夏马的帮助并陷入抑郁。斯蒂芬与简的偶尔会面以及她对他的信任似乎让他得以维持下去。当时宇宙学中盛行的理论是稳态理论，它认为宇宙没有开始——它一直存在，而且永远存在——而稳态理论的主导者是弗莱德·霍伊尔教授，他是一位朴实的约克郡人，也是一位第一个科学电视专家。
斯蒂芬提前瞥见了霍伊尔将在皇家学会讲座上发表的一篇论文。他进行了计算，发现了一个错误，并在霍伊尔发言结束后公开质问霍伊尔。这场争吵在部门里引起了轰动，但更重要的是，这似乎给了斯蒂芬开始自己工作的信心。几乎与此同时，另一位物理学家罗杰·彭罗斯向斯蒂芬介绍了一种思考他的学科的新方法。拓扑结构是一种使用形状概念而不是方程来思考宇宙本质的方法，这对斯蒂芬来说被证明是完美的工具，他开始发现它很难写。彭罗斯的伟大激情是垂死恒星的命运。当一颗恒星生命终结时，它开始自行塌缩。他的计算表明了一些非同寻常的事情。垂死恒星的塌缩似乎会无限期地持续下去，直到恒星密度无限大，在太空中形成黑洞。彭罗斯表明，在这个黑洞的中心，有一个科学家称之为奇点的东西。正是这一点引导斯蒂芬攻读博士学位。他一直对稳态理论抱有一丝怀疑，现在他可以开始找到一种方法来解释宇宙可能有一个开端这一革命性且极具争议的观点。夏马对此持怀疑态度，但也表示支持——很高兴看到他的学生充满热情并准备好工作。与此同时，斯蒂芬的病情持续恶化，他写作和行走都很困难，说话也开始含糊不清。但他现在集中了精力，并在简的支持下进入了一个新阶段。他还承诺维持与她的关系，向她求婚，并以此表现出反抗的求生决心。
斯蒂芬头脑发热，开始研究彭罗斯发现的含义，并开始研究奇点的想法。凭借非凡的洞察力——真正的尤里卡时刻——他问自己：如果你倒转彭罗斯的数学，会发生什么？如果某物不是塌陷成虚无，而是虚无爆炸成某物怎么办？如果你不将其应用于恒星而是应用于整个宇宙呢？答案：宇宙确实可能起源于大爆炸。最后，斯蒂芬进入了狂热的学术工作时期。他将彭罗斯恒星坍缩定理应用到宇宙本身。他取得了真正才华横溢、影响深远的博士学位，证明了夏马对他的信任。至少从理论上来说，大爆炸是可能发生的。在初次确诊两年后，斯蒂芬不仅还活着，而且在一项伟大的科学突破中发挥了重要作用，这一突破彻底改变了人们对宇宙的看法。今天，科学界的共识是，宇宙始于一次大爆炸：数十亿年前，一次宇宙爆炸带来了空间和时间。
次要的、相互交织的故事情节遵循不同但相互关联的科学探索。霍金不知道的是，就在 1963 年他被确诊时，两名美国科学家正在开始他们自己的科学使命。他们的研究是为了提供确凿的证据来支持霍金的理论工作。1978 年，阿诺·艾伦·彭齐亚斯 (Arno Allan Penzias)和罗伯特·伍德罗·威尔逊 (Robert Woodrow Wilson)在斯德哥尔摩的一间酒店房间里相遇。他们在获得诺贝尔物理学奖前夕接受了有关他们发现的采访。他们描述了如何在新泽西州上方的山上用射电望远镜扫描天空，并开始从太空接收到奇怪的无线电信号。随着时间的推移，两位科学家意识到他们已经检测到了创造宇宙的第一次远古爆炸的剩余热量。他们找到了大爆炸的物理证据。