Il film racconta dei coniugi pittori Gerda (Alicia Vikander) e Einar Wegener (Eddie Redmayne) vivono un periodo di tensione, nonostante i due siano profondamente innamorati. Quando la ballerina Ulla (Amber Heard) non si presenta per posare per il ritratto di Gerda, il marito prende il suo posto, travestendosi da donna. È allora che Einar comincia a manifestare il suo alter ego femminile, Lili Elbe. Grazie all’incontro con il pittore omosessuale Henrik (Ben Whishaw) e alle richieste della moglie, che si diverte a vederlo sotto le mentite spoglie di Lili, Einar perde gradualmente il contatto con la sua parte maschile. Mentre l’uomo ricorre ad una dolorosa operazione per cambiare la sua vera identità sessuale, Gerda soffre per la crisi del matrimonio, ma continua a ritrarre Lili Elbe. Grazie ai suoi dipinti, la donna diventa famosa e marito e moglie si trasferiscono a Parigi. Einar, tuttavia, è sempre più insofferente alla sua condizione e Gerda, seppur attratta dall’impresario d’arte Hans Axgil (Matthias Shoenaerts), non ha intenzione di abbandonarlo. Il desiderio di Einar di poter essere completamente Lili Elbe e di essere amato da un uomo è talmente forte da spingerlo a consultare il visionario dottor Warnekros. Le due pittrici decidono di continuare a vivere sotto lo stesso tetto e, nonostante la difficoltà di accettare la delicata situazione, Gerda dovrà dimostrare alla bigotta società dell’epoca che amare qualcuno, spesso vuol dire lasciarlo libero.