Paris, 1929. Lee Miller, une jeune américaine, débarque à Paris. Mannequin, belle comme le jour, elle rêve pourtant de passer derrière l'objectif, animée d'une seule obsession : la photographie. Presque par hasard, Lee attire l'attention de Man Ray, illustre photographe gravitant dans le Montparnasse surréaliste de Dalí et sa bande d'extravagants créateurs. Elle deviendra l'assistante, l'élève puis l'amante du grand photographe.
Dans l'intimité de la chambre noire, leur art et, très vite, leurs corps se lient et s'unissent. Mais alors que Lee se révèle une artiste hors pair, Man, jaloux maladif et génie égocentrique, ne peut bientôt plus supporter l'ascension de celle à qui il a tout appris. Des cabarets du Paris bohème aux champs de bataille d'une Europe déchirée par la Seconde Guerre mondiale, de la découverte de techniques de photographie révolutionnaires à l'immortalisation de la libération des camps de concentration, Lee Miller s'impose comme une artiste absolue, une femme hors du commun.