J. Robert Oppenheimer - Cillian Murphy
Kitty Oppenheimer - Emily Blunt
Lieutenant General Leslie R. Groves - Matt Damon
Lewis Strauss - Robert Downey Jr.
Jean Tatlock - Florence Pugh
Edward Teller - Benny Safdie
Ernest Lawrence - Josh Hartnett
Vannevar Bush - Matthew Modine
Frank Oppenheimer - Dylan Arnold
Richard Feynman - Jack Quaid
Robert Serber - Michael Angarano
Isidor Isaac Rabi - David Krumholtz
Klaus Fuchs - Christopher Denham
Kenneth Bainbridge - Josh Peck
Jackie Oppenheimer - Emma Dumont
Werner Heisenberg - Matthias Schweighöfer
Hans Bethe - Gustaf Skarsgard
Seth Neddermeyer - Devon Bostick
George Kistiakowsky - Trond Fausa Aurvag
Harry S. Truman - Gary Oldman
Der Film erzählt die Geschichte Robert Oppenheimers, des wissenschaftlichen Leiters des Manhattan-Projekts zur Entwicklung der ersten Atombombe.
Im Cavendish-Laboratorium, dem Institut für Physik an der englischen Elite-Universität Cambridge, erhält der junge Physiker Robert Oppenheimer – trotz seines brillanten Verstandes eher belächelt als bewundert – von Gastprofessor Niels Bohr den Ratschlag, nach Göttingen zu gehen. Dort macht er Bekanntschaft mit Werner Heisenberg, einem der bedeutendsten Physiker des 20. Jahrhunderts. Einige Jahre später kehrt Robert Oppenheimer in die Vereinigten Staaten zurück und lehrt an der University of California. Während dieser Zeit lernt er u. a. den Nobelpreisträger Ernest Lawrence, seine spätere Ehefrau, die Biologin Kitty Harrison, und Jean Tatlock kennen, mit der er eine romantische Beziehung beginnt.
Während des Zweiten Weltkriegs (1939–1945) wird Oppenheimer von US-General Leslie R. Groves, dem militärischen Projektleiter für das Manhattan-Projekt, kontaktiert. Oppenheimer einigt sich mit Groves darauf, dass im US-Bundesstaat New Mexico die abgesicherte Stadt Los Alamos errichtet wird, in der die besten Wissenschaftler der Vereinigten Staaten konzentriert an der Entwicklung einer Atombombe arbeiten sollen.
Rekrutiert werden für das Manhattan-Projekt unter anderem Kenneth Bainbridge, Richard Feynman, George Kistiakowsky, Edward Teller und Oppenheimers langjähriger Freund Isidor Isaac Rabi. Später können auch Ernest Lawrence und Niels Bohr für das Projekt gewonnen werden. Oppenheimers Bitte, seinen Bruder Frank in das Manhattan-Projekt einzubinden, wird vom Militär wiederholt abgewiesen. Kurz vor der Fertigstellung der Atombombe reist Frank Oppenheimer schließlich doch an und unterstützt seinen Bruder bei den letzten Vorbereitungen.
Am 8. Mai 1945 endet in Europa der Zweite Weltkrieg mit der Kapitulation Deutschlands. Mehrere der an der Entwicklung der Atombombe beteiligten Wissenschaftler zweifeln nun an der Notwendigkeit der Entwicklung der Bombe. Dennoch gelingt die Fertigstellung; der Trinity-Test wird erfolgreich durchgeführt. Wenig später verkündet Präsident Harry S. Truman die Atombombenabwürfe auf Hiroshima und Nagasaki sowie die Kapitulation Japans.
In den Jahren danach verliert Oppenheimer im Zuge der Aufdeckung von Klaus Fuchs als Spion für die Sowjetunion, der Aussage ehemaliger Mitarbeiter wie Teller gegen ihn sowie der Verdächtigung, selbst ein Kommunist und Spion zu sein, mehr und mehr an Einfluss und Reputation. Überdies wird ihm von einem für diese Angelegenheit gebildeten Ausschuss eine neue Sicherheitsfreigabe verweigert. Allerdings erhält er später von Präsident Lyndon B. Johnson den Enrico-Fermi-Preis und wird somit wieder teils politisch rehabilitiert.
Wie der ehemalige Leiter der Atomenergiekommission Lewis Strauss später einem Mitarbeiter erklärt, habe Oppenheimer ihn in einer Sitzung indirekt der Lächerlichkeit preisgegeben und ihn bei Albert Einstein schlecht geredet. Des Weiteren habe er sich geweigert, der Entwicklung einer H-Bombe zuzustimmen, an der Teller bereits forschte. Strauss intrigierte, um Oppenheimer in Misskredit zu bringen. Jedoch rächen sich die Aktionen von Strauss, als ihm schließlich die Bestätigung seines Amtes als Handelsminister verweigert wird, unter anderem vom jungen Senator John F. Kennedy.
In den letzten Szenen des Filmes wird offenbart, was Oppenheimer und Einstein besprachen, kurz bevor Strauss sich zu ihnen gesellt hat. Dabei ging es tatsächlich nicht um Strauss, sondern um die Frage, ob der erfolgreiche Trinity-Test eine unkontrollierte Kettenreaktion in Gang setzen und so die ganze Welt in Brand hätte setzen können. Oppenheimer befürchtet, dass genau dies geschehen sei. Während Einstein sich entfernt, bleibt Oppenheimer zurück, gequält von der Vision einer von nuklearen Explosionen betroffenen Welt.
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