《美麗心靈》裡，講述了天才數學家納什與精神分裂症抗爭，但仍不放棄博弈論和微分幾何學的鑽研，最終取得諾貝爾經濟學獎的故事。
納什研究生時期就發表了博弈理論，享譽國際。但他卻患有精神分裂症的患者。他醉心於科研，也掙扎於現實與幻想的抗爭，他分不清現實與虛幻，他幻想有兩位朋友，他的室友和室友的妹妹—一個五六歲的小女孩，同時，他把自己想像成一名負有破譯密碼任務的特工，與一名蘇聯特工暗中較量。初期病情並不嚴重，周圍人沒有發現異常，納什也並未任何異常！
在就職麻省期間，他遇到了傾慕他的女學生—美麗迷人的艾爾西亞，兩個人一見鍾情，並很快墜入愛河並結婚生子。才子佳人，終成眷屬，一切看起來很美滿。
但納什的病情越來越嚴重，終於周圍的人發現了他的異常並帶他開始了精神治療。納什一方面要忍受周圍人異樣的目光，一方面還要與幻想中的特務鬥爭，同時他堅持不懈進行自己學科領域的研究。
但由於他服用了大量的藥物，他的思維變遲鈍，並且嚴重影響了他與妻子的感情生活，艾爾西亞雖然深愛納什，卻幾次在深夜崩潰嘶吼。納什內心倍受煎熬，於是他偷偷停止咳服藥，隨著他們的小兒子出生一切似乎有所好轉。
但他的病情因停藥而更加嚴重，有一次再給小兒子洗澡，中途他竟然把兒子託付給了幻想中的密友去執行所謂的"任務"，如果不是妻子及時發現，小兒子差點就淹死在浴盆裡了！
說到底，納什雖然被動接受治療，但他始終也不相信特工與密友是虛幻不存在的！最糟糕的是有一次納什差點錯手殺掉妻子！妻子徹底失望，倉皇出走！納什感覺要真正失去妻子了，電光火石間，他意識到他幻想中的小女孩這些年從未長大！他意識到自己錯了！於是他向妻子承認錯誤，並承諾回歸現實生活！
儘管後來納什仍然會看到特務，室友和小女孩，但他克制自己不去搭理他們，並醉心學術研究，最終獲得諾貝爾獎！
影片最後，他與妻子相互攙扶，如同其他普通老夫老妻一樣攜手白頭，誰又知道這些美好的背後經歷過多少辛酸苦淚！也許，人生最美的情話不是在最美的時光遇見最美麗的彼此，而是在最孤寂，最艱難的時刻也能攜手同行，珍惜彼此，不放棄不拋棄！人生只如初見，最美一生陪伴！