Journalisten Martin Sixsmith blir år 2004 uppsökt av Jane Libberton, vars mamma Philomena nyligen avslöjat en tung hemlighet hon burit på i över 50 år: Som tonåring födde hon en son utanför äktenskap på ett strikt religiöst Irland. Efter tre år i ett nunnekloster togs pojken ifrån henne och såldes till ett amerikanskt par. Philomena förbjöds att någonsin söka upp honom. Senare flyttade Philomena till England där hon gifte sig och bildade familj. Men minnet av sonen hon tvingats lämna bort kvarstår. Philomena behöver nu Martins hjälp att finna sonen, och tillsammans beger de sig till USA.