電影是從約翰-納什進入普林斯頓大學就讀開始的。
約翰的個性孤僻，性格古怪，不擅長和人打交道，一心一意醉心于數學的研究，在新生見面會的第一天，他就和最強有力的競争對手馬丁-漢森正面對上了，并且毫不留情地将馬丁嘲諷了一番，兩個人都是著名的卡内基獎學金得主——往年該獎學金隻有一個人獲得，今年卻破例由兩個人共同獲得，而且兩個人将一起角逐惠勒研究所僅有一個的研究位置。
正當所有新生們都在享受着入學的歡快時，約翰卻逃回了宿舍，隻能躲在角落裏露出羨慕的眼神。就在此時，約翰的舍友查爾斯-赫曼出現了，這位自诩爲“浪子”的室友性格與約翰截然相反，放蕩不羁、桀骜不馴，這幾乎讓約翰無所适從。
可是查爾斯的主動和強勢卻一步步引導着約翰走出了他的“舒适領域”，兩個宛若南北極的獨立個體，卻意外地成爲了朋友。
正當馬丁享受着“戰勝”他的同學，享受勝利帶來的快感時；正當馬丁和其他同學熱衷于證明那些已有的理論，展示自己的才華……約翰卻像是一個偏執狂患者，狂熱地試圖尋找自己的研究方向，試圖尋找出一個全新的理論，在一個尚未被證明的領域之中尋求突破。他會研究橄榄球球員的比賽模式，研究鴿子們争搶面包屑的規模，研究一個女人追逐搶奪她錢包劫匪的模式……他人眼中，約翰看起來就像是一個“神經病”，天天對他冷嘲熱諷，認爲他隻是一個徹頭徹尾的輸家、徹頭徹尾的瘋子。
雖然約翰從來不願意服輸，但在查爾斯面前，約翰卻坦誠，其實馬丁一而再再而三的成功也讓他開始迷茫，甚至是恐懼——因爲他就連博士論文的題目都想不出來。事實上，約翰一直在試圖研究博弈論，希望能夠取得突破。
可是約翰卻被困在了自己的“原創理論”之中，就連畢業都成問題了。約翰就猶如困在了牢籠裏的野獸，他甚至還是傷害自己，不小心撞到了窗戶把手上，鮮血淋漓。查爾斯試圖幫助約翰，但約翰卻彷佛瘋了一般，開始和查爾斯扭打起來，在失去理智的極緻瞬間，查爾斯把約翰放在窗口邊的桌子直接退了出去，狠狠砸在了地上，兩個人雙雙暢快地大笑了起來。
約翰是整個數學系裏的笑話，馬丁等人每天享受着啤酒、享受着追逐女人的快樂，而約翰卻被困在了自己的原創理論裏，茫然自失，馬丁他們總是喜歡捉弄約翰，鼓動着約翰在酒吧裏去追逐那些最頂尖的美女，然後享受着約翰在美女面前出醜的瞬間，但不想，約翰卻靈光一閃，突然就想明白了博弈論的真理！
酒吧裏出現了五個美女，其中的金發美女無疑是衆人的目标，而金發美女也享受着衆人角逐的快樂。馬丁一行人一共有四個人，再加上約翰，一共五個人，他們和五位美女正好搭配，于是他們都慫恿約翰去和金發美女搭讪，再一次捉弄約翰。不想，這卻給了約翰靈感。
“如果所有人去追逐金發美女，結果一定全軍覆沒，誰也得不到她，然後我們去找她的女朋友們，她們也肯定會拒絕我們，因爲沒有人願意成爲第二選擇。但如果沒有人去追那個金發美女，我們之間既不互相侵犯，也沒有羞辱到其他女孩，隻有這樣大家才能赢，也隻有這樣才能所有人都有上。床的機會。”
在亞當-史密斯的理論之中，最好的結果需要團隊中的每一個人都做好自己的分内工作。但約翰卻認爲這是不完整的，因爲最好的結果需要團隊中的每一個人都對自己和對團體對有利的事。
這就是博弈論！
但是卻沒有人相信約翰，他們每一個人都覺得這隻是最典型的約翰——他又一次瘋了，但約翰卻激昂無比地嚷嚷着，“博弈論，這就是博弈論，亞當-史密斯，他錯了！”
狂熱的約翰回到了宿舍，經過了冬天、春天和夏天，約翰撰寫出了博弈論的論文！這篇僅僅隻有二十七頁的論文，取得了轟動的效應，因爲這推翻了自亞當-史密斯以來一百五十年的經濟理論基礎，這也使得約翰一舉成名，直接就進入了惠勒研究室，一夜之間登上巅峰！
此前始終對約翰冷嘲熱諷的馬丁，終于不得不低下了自己高傲的頭顱。
尼古拉斯在觀看的過程中十分專注，特别是不久之前“靈異第六感”的經曆，讓他今晚百分百地投入。在電影最開始的二十五分鍾之内，他可以明顯感覺到雨果對劇本的控制，以博弈論的問世爲主線講述故事，簡單明快的結構将約翰從低谷攀升到高峰的過程用最簡練的語言勾勒出來，不僅帶出了一個小高潮，而且還将約翰-納什這個角色完全塑造了起來。
一方面，雨果對于劇本的把控精彩異常，短短二十五分鍾之内将出場人物控制在一定範圍，不僅沒有将故事講成流水賬，而且以小格局制造了引人入勝的效果；一方面，雨果的表演幾乎是舉手投足之間就将角色塑造了起來，神經、敏感、單純、專注、脆弱、孤僻、善良，就連走路的姿勢、說話的節奏和笑容的模樣，都可以感受到那種細膩而真實的力量。
雖然是一部傳記電影，但“美麗心靈”的開篇不僅絲毫不會冷場，而且還令人拍案叫絕。畢竟專輯電影最忌諱流水賬了。相反，“美麗心靈”的開篇，超過了“死囚漫步”，甚至超過了“辛德勒的名單”，讓人忍不住就想要繼續往下看。
注意力重新回到了電影之上，轉眼五年時間就過去了，約翰-納什已經成爲了惠勒研究室的中堅力量，他受邀來到了五角大樓，幫助軍隊破譯從莫斯科方面攔截下來的密碼。約翰用自己對數字的敏感，成功地破解了密碼——這些都是經緯度，标志着進入美國邊境的路線順序。
約翰的出色表現讓将軍贊不絕口，他無意間注意到了二樓有人在注意自己，開口詢問到，“大老闆是誰？”
将軍卻沒有理解約翰的意思，隻是回答到，“你爲國家貢獻良多。”然後就讓士兵把他送了出去，也不願意洩露任何關于蘇聯的信息，隻是徑直讓他離開了。
這已經是約翰在四年之内第二次前往五角大樓了，但他卻始終隻是破譯密碼的道具而已。報紙上總是可以看到蘇聯軍力儲備越來越雄厚的消息，歐洲大陸上納。粹也越來越猖狂，約翰希望能夠幫忙，但卻沒有途徑——他隻能替水壩做壓力試驗。
由于普林斯頓大學提供研究室和相關設備，作爲交換，約翰被要求必須前往普林斯頓大學進行授課。約翰對此十分排斥，但卻不得不妥協，隻能郁悶前往。但出乎約翰的意料，那一堂課并沒有想象中難熬，因爲他遇到了艾麗西亞——這是一個聰慧而尖銳、睿智而固執的學生。
當查理茲和雨果同時出現在大屏幕上時，電影院裏響起了哄笑聲，甚至不少人開始吹起了口哨。這些人大部分都是雨果的熟人，所以他們也沒有給雨果面子，毫不留情的起哄起來，讓雨果和查理茲兩個人着實哭笑不得。
授課結束之後，威廉-帕徹出現了——他此前在五角大樓時看到的那個男人，他自稱是“大老闆”，并且向約翰展示了他的警徽，他赫然是國防部的成員。威廉才一出場，現場又一次熱鬧了起來——這一次是因爲萊昂納多-迪卡普裏奧。
威廉很快就折服了約翰，原子彈計劃就是在他的監督下完成的，而當初朝日本投下的兩顆原子彈，就是威廉負責執行的。這讓約翰印象深刻。
威廉帶着約翰來到了惠勒研究所旁邊的一個地下秘密研究室，在那裏有無數工作人員正在試圖攔截破譯來自蘇聯的信息。威廉表示，蘇聯現在正在嘗試制作輕型原子彈，這讓約翰聯想到了他不久之前在五角大樓破譯的信息，威廉要求約翰幫助他們破譯蘇聯安插在美國的間諜所發布的信息——他們通過報紙和雜志來發布加密信息——在災難發生之前去阻止這一切。
約翰同意了威廉的請求，他們在約翰左手植入了兩極管，上面會定期更換密碼，這是讓約翰能夠進入投信點的密碼。于是，約翰正式成爲了一名“間諜”。
在日常繁忙工作之中，艾麗西亞主動找上門，因爲約翰缺席了今天的授課，而艾麗西亞則把約翰上一周留下的課題解決了，這完全出乎了約翰的意料。不過，艾麗西亞的解決方法是十分出色的，但答案卻錯了——這讓自信滿滿的艾麗西亞也十分詫異。
意外還沒有結束，艾麗西亞主動邀請約翰一起共進晚餐，這着實讓約翰不知所措，甚至因爲太過緊張而變得拘謹起來。但約翰最後還是點頭答應了，讓她留下了地址，準備周五接她一起共進晚餐。
首次約會，約翰就帶着艾麗西亞出席了州長舉辦的私人宴會，盛裝打扮的艾麗西亞貌若天仙，美豔而不可方物。