影片讲述智慧非凡而个性孤僻的数学家纳什年轻时期就发表了博弈理论，在经济、军事等领域产生了深远的影响，开始享誉国际，然而，他不幸患上了精神分裂症，对他的学术研究和生活造成了巨大困扰。幸运的是纳什在深爱他的妻子艾丽西亚不离不弃的守护之下，以顽强的毅力，继续坚持学术研究，并最终获得了诺贝尔奖。
纳什是一个数学天才，他可以使用数学公式和逻辑推理来解释许多生活中的事情。比如橄榄球比赛、一群鸽子争觅食物等等。透过写满公式的窗户，可以看到纳什那若有所思的脸，在他眼中的世界是充满数字、逻辑和推理的理性世界。这种思考超脱了世俗的桎梏，远离了庸碌的烦扰。
纳什虽然有着超凡的智力，却从小性格内向，不擅长人际交往，因为特立独行的生活方式，他被外人误解为个性古怪孤僻。他害怕失败，并且内心脆弱敏感。在和竞争对手汉森比赛下棋最后输给了对方之后，他无法接受失败的事实，感到深深的挫败，且事后依然耿耿于怀。
其实，普林斯顿大学的同事们都对纳什抱有宽容的态度，只是纳什自我孤立拒绝和别人建立情感联系，从而导致他自己和整个环境格格不入。但是，纳什又很希望得到别人的认可，当他在餐厅中看到有许多教师把他们的钢笔放在一位老教授面前表示尊敬时，他的眼中充满了渴望。
长时期的孤僻生活导致了纳什出现了精神分裂症，在脑海中开始不断出现他自己幻想出来的人物，因为情感需求，他甚至慢慢沉浸幻想其中。
在幻想中，查尔斯是纳什的室友，在纳什失意的时候，始终无条件的理解他、包容他。纳什是一个高智商低情商的极端天才，没有什么朋友，他渴望有个知心好友来填补他的寂寞，分担他的困惑，而幻想出来的查尔斯可以认可和鼓励内心孤独的纳什。
玛茜则是查尔斯的侄女，一个天真可爱的小女孩。纳什从小缺乏关爱，像一个孤单、脆弱的孩童。纳什把自己缺失的关爱投射到玛茜的身上，让自己的情感有所寄托。
黑衣人威廉是国防部的官员，要求纳什为国家机构效命。纳什希望自己的才能被人赏识，希望遇到贵人帮助自己在事业上取得巨大的成功，成为别人眼中的国家英雄。
纳什孤独一人一直不断在现实和幻想中不断转换生活，直到他遇到了他命中注定的挚爱艾丽西亚，他的人生才开始慢慢有所改变。
艾丽西亚十分优雅美丽，而且还是个头脑聪明的物理系大学生。她对纳什十分崇拜，而她也打动了纳什的心，因为彼此之间才华的相互吸引，两人很快就陷入爱河。纳什不善言辞，不会什么甜言蜜语，他借助于漫天星光，站在艾丽西亚的身后，拿起她的手，为她在浩瀚的星空当中构造出那些美丽的图形。两人相拥，星辉摇曳，在无限的宁静和永恒中无言的浪漫充斥天地。
尽管在别人看来，纳什十分古怪，可艾丽西亚却可以接受他所有的一切。她看不见他头脑中的数学世界，但她觉得，爱和宇宙一样，只要相信，就可以无限大。纳什和艾丽西亚很快走进了婚姻的殿堂，不久后艾丽西亚知道纳什患有精神分裂症，她十分痛苦，内心几近崩溃，不过她并没有因此放弃纳什，而是选择陪伴在纳什的身边，自始至终照顾他。
艾丽西亚承担着纳什婚后带来的各种麻烦，因为纳什的精神状态不稳定，生活的重担一下子全部都落在了艾丽西亚的身上，她独自支撑整个家庭。本来她可以有更好的选择，可她却拒绝了优秀的异性对她的暗示，对纳什的爱让她坚持留下来，努力寻找办法让他重新面对现实，
当艾丽西亚哭着告诉纳什那些幻想不是真的，纳什的世界观瞬间崩塌了，他难以置信的走开了。纳什想要证明幻想都是真的，他把手臂的血肉撕开，却怎么找不到芯片。那该是多大的疼痛，可他只是单纯而茫然的说：“它不见了，找不到了。”他感受不到身体上的疼痛，因为精神上的折磨更痛苦。而在那个暴雨交加的夜晚，纳什拒绝回应艾丽西亚的亲密行为，他甚至因为精神疾病，而失去了爱的能力。
在纳什的精神世界如此混乱的状况下，艾丽西亚依然没有放弃他。她拿起纳什的手贴在他的脸上，再贴在自己的脸上，之后把手放在自己的心口，让感受真实的温度，祈诚地说：“你是真的，我是真的，心是真的，说必定能让你从梦中清醒的东西，并不在脑里，而是在心里。我们需要相信，奇迹可能会发生。”
艾丽西亚相信纳什能够感受她身心合一的爱意，她相信纳什能够重拾自我，战胜幻觉。她不让纳什被送去精神病院，一直陪伴在他身边，尽管他有可能会伤害她。她温柔却又很理性，她鼓励纳什尝试和外界接触，继续正常工作。她爱纳什的优点，也能够接受纳什的缺点，还有勇气陪伴纳什一起和幻觉作斗争，面对黑暗和恐惧。
天才往往太习惯依赖自己的头脑思考，而忽略了自己内心的情感。纳什一直都深爱艾丽西亚，只是他以前习惯把头脑和心灵分离独立，让他的思想和爱情各自运转，以致于在执着探索数学真理的过程中忘记了最重要的挚爱，认为自己是孤独无人理解的。
正是因为艾丽西亚矢志不渝的真挚感情，纳什才有了勇气去对抗精神分裂症。因为个性孤僻，纳什以前一直沉浸于幻想当中，但有了艾丽西亚的之后，他真实感受到挚爱的温暖陪伴，当他在真实和幻想中迷茫的时候，至少他知道艾丽西亚的爱是真的。爱情引导纳什重新关注真实世界，为了自己的挚爱，他不要忘记现实生活，也不能轻易选择放弃。
其实，纳什始终没有治疗好精神分裂症，查尔斯、威廉和玛茜还是一直出现在他的幻想中，他只是选择了不再去理会。纳什终于直面这一切幻觉，敢于向过去告别。即使很痛苦，他也要坚持。当纳什和周围真正的人交流之时，虽然还是不怎么自然，但他也会继续努力尝试。
好在，纳什的同事们都是善良的人，在纳什最失意的时候，他们都选择力所能及的帮助纳什，给予纳什他们的包容和尊重，让纳什感受到现实的美好。纳什甚至在餐厅里也收到了来自大家“代表肯定他终身成就”的一支支钢笔。因为艾丽西亚和同事们的帮助，纳什终于有信心能够控制好自己的精神分裂症。
多年以后，纳什的博弈论产生了重大的影响，他也可以平和的面对众多学生们讲课，不再排斥人际交往。当艾丽西亚看见这些时，不禁热泪盈眶。要知道，曾经的纳什差点精神分裂崩溃发疯，还一度被关进精神病院，现在能够回归正常生活，是多么不容易啊。
最终，纳什获得了诺贝尔奖，领奖台上，白发苍苍步态踉跄的他掏出口袋里的手绢，象征性的擦了擦嘴角，那是对他命中注定的爱人艾丽西亚致以最崇高的感谢。这手绢是他们第一次约会共同出席一个酒会的时候，她为不拘小节的他别在上衣口袋里的。
纳什道出肺腑之言：“一直以来，我总是相信数字、方程和逻辑才是解释世界的维度。但是在如此追求了一生后，我问自己：“逻辑到底是什么？谁决定原由？我的探索……让我从形而下到形而上，最后到了妄想症，就这样来回走了一趟。在事业上我有了重大突破，在生命中我也找到了最重要的人：只有在这种神秘的爱情方程中，才能找到逻辑或原由来。今晚我能站在这儿全是你的功劳，你是我成功的因素，也是唯一的因素。谢谢你！”
纳什是一位数学家，一直用理性和逻辑来思考工作，不过支撑他不断对抗心魔的却是用感性和关怀。爱是理性的终点，是妻子艾丽西亚不离不弃的关心和支持，才给了纳什对抗精神分裂症的勇气和动力。艾丽西亚几十年的真心相伴，不仅拯救了纳什，也让世人见识和感受到了闪耀着人性光芒的纯洁爱情。
《A beautiful mind》这个电影名字有着双重含义，“mind”既有头脑的意思，也有心灵的意思。一方面是指纳什聪明的天才大脑，另一方面则指艾丽西亚美丽的心灵。无论贫穷、疾病，生老病死，不离不弃，艾丽西亚真正做到了她在婚姻教堂许下的诺言。
一个成功男人背后肯定有着一个优秀的女人在支持，纳什和艾丽西亚的结合，正是理性和感性的完美融合。纳什精神分裂、饱受痛苦折磨，正是因为艾丽西亚的美丽心灵，一路携爱同行，无怨无悔，纳什才可以战胜了病魔，保持高度理性工作，最终取得巨大成就。