Teoria wszystkiego to historia, przedstawiająca postać jednego z najwybitniejszych umysłów naszych czasów - słynnego astrofizyka, Stephena Hawkinga. W 1963 roku Stephen Hawking (Eddie Redmayne), student astronomii i kosmologii na Uniwersytecie w Cambridge ma już osiągnięcia w swojej dziedzinie i ambicje znalezienia "prostego, ale wymownego wytłumaczenia" wszechświata. Osobiste doświadczenia otwierają przed nim inne, zupełne nieznane terytoria. Stephen zakochuje się w koleżance, studentce nauk humanistycznych, Jane Wilde (Felicity Jones). Jednak w wieku 21 lat ten młody i znakomicie zapowiadający się naukowiec otrzymuje druzgocącą diagnozę: stwardnienie zanikowe boczne. Jak wyrokują lekarze, choroba w krótkim czasie zaatakuje jego sprawność ruchową i ograniczy możliwość porozumiewania się. Jednak miłość Jane, jej wsparcie i determinacja okazują się nieocenione. Mając u boku kochającą żonę, Stephen nie dopuszcza do siebie myśli, że postawiona przez lekarzy diagnoza może być ostateczna. Jane zachęca męża, żeby ukończył doktorat, w którym pojawiają się zaczątki słynnej teorii o stworzeniu wszechświata. Po jego entuzjastycznym przyjęciu Stephen pochyla się nad kolejnym naukowym wyzwaniem, zgłębiając zagadnienie, które stało się w jego życiu rzeczą niezwykle cenną - czas.