En la fiesta de cumpleaños número 21 de Stephen Hawking conoce a una nueva amiga, Jane Wilde. Hay una fuerte atracción entre los dos y Jane está intrigada por la charla de Stephen sobre las estrellas y el universo, pero se da cuenta de que hay algo muy malo con Stephen cuando de repente descubre que es incapaz de ponerse de pie. Una estancia en el hospital resulta en un diagnóstico horrible. Stephen sufre de una enfermedad de la neurona motora y los médicos no esperan que sobreviva durante más de dos años. Stephen regresa a Cambridge, donde el nuevo mandato ha comenzado sin él. Pero no puede esconderse de la realidad de su condición a través del trabajo porque no puede encontrar una asignatura para su doctorado. Mientras sus colegas se lanzan a la vida académica y universitaria, la vida de Stephen parece haber quedado en suspenso. Rechaza la ayuda de su supervisor Dennis Sciama y se hunde en una depresión. Solo las reuniones ocasionales de Stephen con Jane y su fe en él parecen mantenerlo a flote. La teoría prevaleciente en la cosmología en ese momento es el Estado Estacionario, que argumenta que el universo no tuvo principio, siempre ha existido y siempre existirá, y el Estado Estacionario está dominado por el profesor Fred Hoyle, un yorkshire de habla clara, y uno de los primeros expertos en ciencia de la televisión.
Stephen tiene una visión temprana de un artículo de Hoyle que se presentará en una conferencia de la Royal Society. Trabaja a través de los cálculos, identifica un error y se enfrenta públicamente a Hoyle después de que el gran hombre haya terminado de hablar. La pelea causa revuelo en el departamento, pero, lo que es más importante, parece darle a Stephen la confianza para comenzar su propio trabajo. Casi al mismo tiempo, Stephen es introducido a una nueva forma de pensar sobre su tema por otro físico, Roger Penrose. La topología es un enfoque que utiliza conceptos de forma en lugar de ecuaciones para pensar en la naturaleza del universo, y esto demuestra ser la herramienta perfecta para Stephen, que está empezando a encontrar muy difícil escribir. La gran pasión de Penrose es el destino de las estrellas moribundas. Cuando una estrella llega al final de su vida, comienza a colapsar sobre sí misma. Sus cálculos sugieren algo extraordinario. El colapso de la estrella moribunda parece continuar indefinidamente, hasta que la estrella es infinitamente densa, formando un agujero negro en el espacio. Y en el corazón de este agujero negro, muestra Penrose, hay algo que los científicos llaman singularidad. Es esto lo que lleva a Stephen a su asignatura de doctorado. Siempre ha tenido un escepticismo persistente sobre la Teoría del Estado Estacionario, y ahora puede comenzar a ver una forma de explicar la idea revolucionaria y altamente controvertida de que el universo podría haber tenido un comienzo. Sciama es escéptico pero comprensivo, contento de ver a su estudiante entusiasmado y listo para trabajar. Mientras tanto, la condición de Stephen continúa en declive, escribe y camina con dificultad y su discurso comienza a ser difamatorio. Pero ahora tiene un enfoque para sus energías y, con el apoyo de Jane, entra en una nueva fase. También se compromete a su relación con ella, pidiéndole que se case con él y al hacerlo exhibiendo una determinación desafiante de sobrevivir.
Con su mente encendida, Stephen comienza a trabajar en las implicaciones del descubrimiento de Penrose y comienza a adentrarse en la idea de una singularidad. Con una perspicacia notable, un verdadero momento Eureka, se pregunta: ¿qué pasaría si analizaras las matemáticas de Penrose al revés? En lugar de que algo colapse en la nada, ¿y si la nada explotara en algo? ¿Y si aplicaras esto no a una estrella sino a todo el universo? Respuesta: el universo realmente podría haberse originado en un big bang. Por fin, Stephen entra en un período de trabajo académico febril. Aplica los teoremas de Penrose para el colapso de estrellas en el universo mismo. Justificando la fe de Sciama en él, produce un doctorado de verdadera brillantez y profundas implicaciones. En teoría, al menos, el big bang podría haber ocurrido. Dos años después de su diagnóstico inicial, Stephen no solo sigue muy vivo, sino que ha participado en un gran avance científico que revoluciona la forma en que pensamos sobre el universo. Hoy en día, el consenso científico es que el universo comenzó con un big bang: hace miles de millones de años, una explosión cósmica trajo el espacio y el tiempo a la existencia.
Una historia secundaria entrelazada sigue una búsqueda científica diferente pero conectada. Desconocido para Hawking, justo cuando se le diagnosticaba en 1963, dos científicos estadounidenses se embarcaban en su propia misión científica. Su investigación fue para producir evidencia sólida para apoyar el trabajo teórico de Hawking. Nos encontramos con Arno Allan Penzias y Robert Woodrow Wilson en una habitación de hotel en Estocolmo en 1978. Están siendo entrevistados sobre su descubrimiento en vísperas de recibir el Premio Nobel de Física. Describen cómo, en las colinas sobre Nueva Jersey, escanearon los cielos con un radiotelescopio, y comenzaron a captar una extraña señal de radio desde el espacio. Con el tiempo, los dos científicos se dieron cuenta de que habían detectado el calor sobrante de la primera explosión antigua que había creado el universo. Habían encontrado la prueba física del big bang.