Als junge Frau bringt Philomena ihren Sohn in einem Nonnenkloster in Irland zur Welt. Anthony ist noch ein Kleinkind, als die Nonnen ihn gegen Philomenas Willen von einem Paar adoptieren lassen. 50 Jahre vergehen, in denen Philomena täglich an ihren Sohn denkt - bis sie sich dazu entscheidet, ihn aufzuspüren. Zur Seite steht ihr der zynische Journalist Martin, der gerade entlassen wurde und eine gute Story braucht. Gemeinsam beginnen sie eine Reise, die sie bis in die USA führt, und decken die Wahrheit über Philomenas Sohn und die schrecklichen Taten der Nonnen auf. Der ehemalige BBC-Journalist Martin hat gerade seine Anstellung als Regierungsberater verloren und weiß nicht genau, was er mit sich anfangen soll. Durch einen Zufall erfährt er auf einer Party von Philomenas Geschichte. Als junge, unverheiratete Frau wurde sie schwanger und wegen der "Schande" von ihrem Vater in ein Nonnenkloster geschickt. Dort brachte sie ihren Sohn Anthony unter prekären medizinischen Umständen zur Welt und musste danach hart arbeiten, um die Nonnen für ihren fragwürdigen Aufwand zu entschädigen. Ihren Sohn durfte sie nur selten sehen, und nach einigen Jahren wurde er gegen ihren Willen von einem Paar adoptiert. Nun möchte sich die fast 70-jährige Philomena auf die Suche nach ihrem Sohn machen - und Martin, der eine gute Story riecht, hilft ihr. Die beiden geben mit ihren gegensätzlichen Charakteren ein ungewöhnliches Duo ab. Philomena, die stets an das Gute im Menschen glaubt, ist schockiert von Martins abweisender, sarkastischer Art. Dennoch entsteht eine Form von Zuneigung, die jedoch schnell auf die Probe gestellt wird. Gemeinsam suchen sie das Kloster auf und befragen die Nonnen, ohne Erfolg. Im Pub nahe dem Kloster erfahren sie, dass die meisten Kinder an wohlhabende Amerikaner verkauft wurden. Somit führt die Reise Philomena und Martin in die Vereinigten Staaten. Dort findet der Journalist schnell heraus, dass Anthony schon vor einigen Jahren gestorben ist. Am Boden zerstört will Philomena mehr über ihren Sohn erfahren und gräbt immer tiefer in der Vergangenheit. Es kommt zutage, dass Anthony versucht hat, seine Mutter ausfindig zu machen - und dass die Äbtissin in Sorge um den Ruf des Klosters ein Wiedersehen hintertrieben hat. Während Martin die Geschichte mit Wut und Hass erfüllt, versucht Philomena, ihm zu zeigen, was Vergebung bedeutet.