El periodista Martin Sixsmith acaba de perder su trabajo como asesor del Partido Laborista del Reino Unido y no está seguro de si dedicarse a correr o a escribir un libro sobre la historia de Rusia. Mientras tanto, Philomena Lee le confiesa a su hija que, cincuenta años atrás, ella dio a luz a un niño en Irlanda, pero debido a que no estaba casada se vio forzada a darlo en adopción. Poco tiempo después, Martin conoce a la hija de Philomena en una fiesta. Aunque en un principio él desprecia las historias "de interés humano", necesita trabajar y un editor quiere la historia de Philomena. Posteriormente se reúne con ella y juntos comienzan a investigar lo que pasó con su hijo.

Philomena dio a luz a su hijo Anthony en un convento de Roscrea y fue obligada a renunciar a sus derechos maternos. Lo cuidó hasta que fue adoptado a los tres años mientras trabajaba como lavandera. Su mejor amiga en el convento tenía una hija llamada Mary, que era buena amiga de Anthony. Un día, una pareja visitó el convento para adoptar a Mary, pero se llevó a ambos niños porque eran inseparables.

Martin y Philomena inician su búsqueda en el convento. Las monjas son atentas y amables, pero no tienen información, pues aseguran que los registros de las adopciones desaparecieron hace años en un incendio. Ahogando su frustración en un bar, Martin conoce a un joven que le narra los rumores que ha oído de los más ancianos: el convento deliberadamente destruyó los documentos en una hoguera y vendió niños a padres adoptivos, principalmente de los Estados Unidos.

Como periodista y asesor político, Martin cuenta con gran número de contactos en los Estados Unidos. A pesar de que llegan a un callejón sin salida en Irlanda, los contactos de Martin en América podrían servir de ayuda. Investigando pasaportes y otros registros, Martin descubre que el hijo de Philomena ha sido adoptado por Doc y Marge Hess, quienes lo rebautizaron como Michael Hess. Michael creció y se convirtió en un oficial de alto rango durante la administración del presidente Ronald Reagan. También se sabe que mantenía su homosexualidad oculta porque el Partido Republicano era altamente homofóbico. Finalmente, Martin se entera de que Michael murió hace nueve años debido a complicaciones derivadas del sida.

A regañadientes, Martin le cuenta la verdad a Philomena, pero ambos continúan sus esfuerzos hasta encontrar a gente que hubiera conocido a Michael en vida. Gracias a unas viejas fotografías, Martin se da cuenta de que él estuvo con Michael una vez cuando trabajó para la BBC. Más tarde, acompañado por Philomena, Martin visita a la hermana de Michael, Mary, quien les dice que su madre adoptiva fue cariñosa, pero su padre y sus hermanos no mostraban afecto por él. Mary les da el nombre del novio de Michael, pero no dice lo que Philomena más quiere escuchar: si su hijo había intentado buscar a su madre biológica en algún momento.

Después de evitar las llamadas de Martin, el exnovio de Michael finalmente accede a conversar con Philomena. Él dice que Michael siempre quiso conocer a su madre verdadera y que en una ocasión visitaron juntos el convento de Irlanda en busca de información, pero las monjas le dijeron que habían perdido contacto con ella. También les dice que el último deseo de Michael era ser sepultado en el cementerio del convento con la esperanza de que su madre algún día pudiese leer el mensaje de su lápida.

La historia concluye donde comenzó: en el convento. Martin se enfrenta a una monja que estuvo presente cuando le arrebataron el niño a Philomena. La monja no se muestra arrepentida y dice que la pérdida del hijo fue el castigo de Philomena por haber cometido el pecado de la fornicación. Philomena perdona a la monja y se dirige a la tumba de Michael, donde lee su epitafio.