Sau khi bị thôi việc là cố vấn chính phủ, nhà báo Martin Sixsmith dự định viết một cuốn sách về lịch sử Nga. Tại một buổi tiệc, anh gặp con gái của Philomena Lee. Cô đã đề nghị anh viết một cuốn sách về mẹ mình - người phụ nữ đã bị ép buộc từ bỏ đứa con trai bé nhỏ của mình, Anthony, 50 năm về trước. Mặc dù lúc đầu, Martin không quan tâm đến những câu chuyện hấp dẫn đời người, nhưng sau đó anh đã quyết định sẽ tham gia hành trình tìm kiếm cùng Philomena sau khi nghe câu chuyện bi ai của bà. 

Năm 1951, sau cuộc tình chớp nhoáng với một người thanh niên trẻ, Philomena mang thai và với sự xấu hổ của người cha, bà đã được gửi vào Tu viện Sean Ross ở Roscrea, Ireland. Philomena sinh một bé trai nhưng bà không được phép chăm sóc con, đồng thời phải làm việc tại phòng giặt là trong vòng 4 năm để trả công cho việc sinh sống tại tu viện. Một ngày nọ, bà vô cùng tức giận khi phát hiện ra các sơ đã lén lút gửi con trai mình cho một cặp vợ chồng người nước ngoài, không cho họ cả cơ hội để nói lời tạm biệt. Philomena giữ bí mật về người con này trong vòng 50 năm, nhưng trong thời gian đó bà vẫn trở lại tu viện định kỳ, cố gắng tìm kiếm con trai mình. Tuy nhiên, lần này qua lần khác, các sơ không hé lộ dù chỉ một manh mối nhỏ nhất cho hành trình của bà. 

Philomena, lần này, cùng Martin, quay lại tu viện với hy vọng có thể tìm được chút thông tin. Và họ tiếp tục thất vọng khi các sơ vẫn với cung cách lịch sự giả tạo của mình, mời họ trà bánh nhưng từ chối giúp đỡ, đồng thời tuyên bố rằng tất cả ghi chép về việc cho con nuôi đã mất trong một trận hỏa hoạn 5 năm về trước. Tuy nhiên, sau đó tại một quán rượu, một người bản địa đã tố cáo tu viện chủ ý tiêu hủy tất cả tài liệu che đậy trong một trận hỏa hoạn, và sự thật rằng hầu hết những đứa trẻ đã được bán với giá 1000 dollars cho những người My giàu có. 

Martin tin rằng mọi hy vọng tìm kiếm tại Ireland đã bị thiêu rụi, và với sự giúp đỡ của tòa báo đang làm việc, anh đã có thể mời Philomena cùng đến Mỹ để tìm Anthony. Với nhiều nỗ lực, Martin đã khám phá ra Anthony được nhận nuôi bởi Doc và Marge Hess, những người sau đó đã đổi tên Anthony sang thành Michael. Michael trở thành một luật sư và là chuyên viên cao cấp dưới thời tổng thống Reagan và George H.W.Bush, nhưng buồn thay, anh đã mất 9 năm về trước. 

Mặc dù vô cùng đau khổ, Philomena vẫn quyết định gặp gỡ những người quen biết Michael. Họ đã đến thăm một người đồng nghiệp cũ của anh và biết được anh là một người đồng tính và chết vì AIDS. Sau đó là cuộc gặp gỡ với Mary, người cũng được nhận nuôi cùng thời điểm với Michael bởi một gia đình. Nhờ những cuộc gặp này, Philomena và Martin đã biết được người yêu của Michael là Pete Olssen. Sau khi liên tục từ chối nói chuyện với Martin, Pete đã đồng ý gặp Philomena khi thấy bà đứng trước cửa nhà mình. Pete mời Philomena vào nhà và cho bà xem cuốn băng tiểu sử của Michael, lúc này, bà vô cùng bất ngờ và xúc động khi biết rằng Michael luôn trăn trở về mẹ đẻ của mình, và đã nhiều lần ghé lại tu viện với mong muốn tìm được bà. Nhưng cũng như với Philomena, các sơ từ chối giúp đỡ Michael và nói rằng họ đã không còn liên lạc với bà. Philomena cũng biết được rằng Michael đã được chôn cất tại nghĩa trang tu viện, đúng với mong muốn cuối cùng của anh "được chôn cất tại nơi mình đã sinh ra".

Câu chuyện kết thúc tại nơi nó bắt đầu: tu viện. Martin nổi giận trước sơ Hildegard, người trực tiếp ngăn cản 2 mẹ con Philomena gặp nhau. Bà sơ này không hề ăn năn, ngược lại cho rằng mất con trai là tội lỗi mà Philomena bị trừng phạt vì sự hoang đàng của mình. Martin cho rằng sơ Hildegard phải xin lỗi, nhưng Philomena đã tha thứ cho bà ta. Cuối phim, Philomena thăm mộ con trai, Martin bày tỏ rằng mình sẽ không xuất bản cuốn sách, nhưng Philomena khích lệ anh tiếp tục vì "mọi người nên biết những gì đã diễn ra tại đây"