No filme, o matemático Max Cohen (Sean Gullette, também co-roteirista) está envolvido em uma pesquisa para encontrar um padrão no vai-e-vem das bolsas de valores. Seu trabalho é financiado por algum enigmático tubarão de Wall Street, que lhe garante um supercomputador. No entanto, o que realmente move Max é uma obsessão por descobrir um padrão matemático supremo, presente em toda a natureza. Para ele, não importa só o movimento das bolsas, mas também a direção do vento ou a forma como o açúcar se espalha pelo café.

Max ainda é atormentado por crises de enxaqueca crônica, que aos poucos vão destruindo seu cérebro. Como parte de sua obsessão, tenta não manter contatos sociais, discutindo suas idéias apenas com seu antigo professor Sol Robeson (Mark Margolis). Ele serve de contraponto humano ao racionalismo extremo de Max.

O filme segue uma espiral pela qual o obcecado matemático vai aos poucos descendo, levando-o a uma grande descoberta, à loucura completa ou a ambas, que talvez sejam a mesma coisa. A busca acaba envolvendo estudiosos judeus da Cabala (antiga disciplina mística hebraica, que busca desvendar o segredo da criação a partir do Torá, os cinco primeiros livros da Bíblia), filosofia chinesa, teoria do caos... e, por fim, o segredo do universo.