Philomena Lee ble i 1952 gravid som tenåring, og som en følge av det forlot hennes familie henne i skam og sendte henne til et kloster i Irland. Der solgte og adopterte nonnene hennes tre år gamle sønn til en amerikansk familie, og Philomena tilbrakte forgjeves de neste 50 årene på å finne han. Gjennom et lykketreff av omstendigheter møter hun Martin Sixsmith, en tidligere kommunikasjonssjef for Tony Blairs regjering og utenrikskorrespondent i BBC. Da Martin får høre Philomenas langvarige søken etter sin sønn, innser han hvilken bemerkelsesverdig historie det er og arrangerer en reise for de to til USA for å finne ut hva som skjedde med Anthony.