Die pensionierte Krankenschwester Philomena Lee gesteht ihrer Tochter, dass sie vor genau 50 Jahren einen unehelichen Sohn geboren hatte. Im damals streng katholischen Irland wurden unverheiratete Mütter zur Geburt oft in ein Magdalenenheim geschickt, danach zur Arbeit zwangsverpflichtet (um die Kosten für die Entbindung zu begleichen und ihre „Sünde“ zu büßen), und ihr Kind wurde zur Adoption freigegeben – so auch ihr Sohn Anthony. Nachdem Philomena ihre vier Jahre Zwangsarbeit (7-Tage-Woche) bei den strengen Nonnen abgeleistet hatte, verließ sie das Kloster und begann ein neues Leben. Doch jeden Tag dachte sie an ihren Erstgeborenen. Mehrmals versuchte sie, ihren Sohn zu finden – allerdings ohne Erfolg. An seinem 50. Geburtstag entscheidet sie sich, ihr Schweigen aufzugeben.
Philomenas Tochter Jane lernt auf einer Party den ehemaligen BBC-Reporter Martin Sixsmith kennen und erzählt ihm die Geschichte ihrer Mutter. Nach anfänglichem Desinteresse willigt er ein, Philomena bei der Suche nach ihrem Sohn zu begleiten und darüber zu berichten. Auf derselben Party trifft Sixsmith die Chefredakteurin eines Boulevardmagazins, die prompt bereit ist, die Recherche zu finanzieren und die Geschichte zu veröffentlichen.
Ein erster Besuch im Kloster verläuft jedoch ernüchternd: Zwar sind die Regeln inzwischen weniger streng, doch angeblich wurden sämtliche Adoptionsunterlagen bei einem Brand zerstört. In der Dorfkneipe erfährt Sixsmith hingegen, dass es sich dabei nicht um einen Unfall, sondern um eine gezielte Beweismittelvernichtung gehandelt habe. Außerdem erfährt er, dass die Kinder oft gegen größere Geldbeträge in die USA vermittelt wurden.
Da Sixsmith hofft, an alte Verbindungen aus seiner Zeit als US-Korrespondent anknüpfen zu können, reisen er und Philomena nach Washington. Tatsächlich stellt sich heraus, dass Anthony – der nach der Adoption in Michael A. Hess umbenannt wurde – Karriere als Berater unter den Präsidenten Reagan und Bush sen. gemacht hatte, aber auch, dass er homosexuell war und bereits 1995 an AIDS gestorben ist.
Entgegen Sixsmiths Befürchtungen (der einen Vertrag mit dem Boulevardmagazin erfüllen muss) entschließt sich Philomena, wenn sie ihren Sohn schon nicht mehr persönlich treffen kann, so doch zumindest sein Umfeld zu befragen. Den Ausschlag gibt das Foto einer Pressekonferenz, auf dem nicht nur Philomenas Sohn, sondern auch Sixsmith selbst als Korrespondent zu sehen ist. Ihm fällt wieder ein, dass er Anthony/Michael damals im Weißen Haus getroffen und einen positiven Eindruck von ihm gewonnen hatte. Philomenas Interesse ist trotz ihrer Trauer geweckt.
Die erste Ansprechpartnerin ist Mary, die im selben Kloster geboren ist. Ursprünglich sollte nur Mary adoptiert werden, aber da sie und Anthony als Kleinkinder unzertrennlich waren, wurden kurzerhand beide adoptiert.
Der nächste Ansprechpartner ist Anthonys/Michaels früherer Lebensgefährte Pete Olsson. Anfangs gestaltet sich der Kontakt schwierig, da Olsson sich von seinem Büro verleugnen lässt. Zermürbt durch die Abweisung möchte Philomena die Suche abbrechen, zumal sich ihr Sohn anscheinend nie für seine Wurzeln und seine irische Abstammung interessiert hatte. Sixsmith fällt jedoch auf einem Foto eine Anstecknadel in Form einer irischen Harfe auf: Philomenas Sohn war sich seiner Herkunft also durchaus bewusst. Als Sixsmith bei Olsson zuhause vorstellig wird, wird er an der Tür abgewiesen; doch Philomena gelingt es, den Kontakt aufzubauen. Zusammen mit Olsson sehen sie sich alte Videos und Super-8-Filme an, und Philomena und Sixsmith erfahren, dass Anthony/Michael noch kurz vor seinem Tod eben jenes Kloster in Irland, in dem er geboren wurde, besucht hatte, um seine leibliche Mutter zu finden. Mehr noch: Gegen den Willen seines Adoptivvaters ließ er sich dort sogar beerdigen.
Philomena und Sixsmith reisen zurück nach Irland und besuchen das Kloster erneut. In einem unbeobachteten Augenblick verschafft sich Sixsmith Zugang zum Wohnbereich der Nonnen und stellt die damals verantwortliche und inzwischen hochbetagte Schwester Hildegard zur Rede. Diese ist sich wie damals keiner Schuld bewusst und bezeichnet Mütter unehelicher Kinder als Sünderinnen. Philomena kommt hinzu und vergibt ihr – wenn auch schweren Herzens.
Sie gibt Martin Sixsmith die Erlaubnis, ihre Lebensgeschichte mit ihrem Namen zu veröffentlichen.