Le film raconte les derniers mois de la vie d'Abraham Lincoln, 16e président des États-Unis, assassiné en 1865, et surtout de son combat pour faire passer le XIIIe amendement de la Constitution, qui mit fin à l'esclavage dans tout le pays, avant la fin de la guerre de Sécession.
New York, 1968. La guerre du Viêt Nam fait rage, autant que celle qui oppose les nombreuses familles de la pègre new-yorkaise, dont celle bien particulière de Ellsworth « Bumpy » Johnson à Harlem. Bumpy n'est pas un parrain ordinaire : il est noir et parfois généreux (par exemple, il offre des dindes aux démunis à Thanksgiving).
Erin Brockovich élève seule ses trois enfants, et étant au chômage, elle cherche désespérément du travail. Victime d'un accident de la circulation, elle contacte un cabinet d'avocat dirigé par Edward L. Masry pour la représenter. Celui-ci est persuadé de faire condamner le chauffard, mais contre toute attente, il perd le procès. Erin fait pression sur Masry pour qu'il l'embauche ; il accepte mais la relègue aux archives.
Jimmy « B-Rabbit » Smith Jr (Eminem) participe à une confrontation locale de rap, dirigée par le maître de cérémonie David « Future » Porter, ami de Smith. Au cours de l'affrontement, Smith se révèle incapable de parler en public devant un microphone et quitte la compétition humilié et hué par le public.
Le 15 janvier 2009, le capitaine Chesley Sully Sullenberger, dit « Sully », et son copilote Jeff Skiles, qui travaillent pour US Airways, montent à bord du vol 1549 de cette compagnie pour relier l’aéroport de LaGuardia et l’aéroport international Charlotte Douglas. Trois minutes après le début du vol, à une altitude de 2 800 pieds (environ 850 m), l’Airbus A320 heurte une volée d’oiseaux, ce qui désactive les deux moteurs. Avec des moteurs arrêtés et se jugeant dans l’impossibilité d’atteindre les aéroports voisins (celui de Teterboro étant le plus proche), il amerrit avec l’avion sur le fleuve Hudson. L’équipage et les passagers sortent de l’appareil sans qu’il y ait de victimes. La presse et le public saluent le pilote comme un héros, mais l’incident continue à le travailler et il vit dans un rêve un rêve où l’avion vient s’écraser sur un bâtiment.
Dans les années 1920, les parents de Katherine Coleman apprennent que leur fille possède un don pour les sciences, qu'elle doit parfaire en fréquentant une école pour Noirs (les Blancs étant dans des écoles séparées) car elle est dotée d'aptitudes intellectuelles supérieures. En 1962, devenue mathématicienne, Katherine Coleman (désormais Goble) travaille au sein d'un groupe de calculatrices humaines, sur le campus ouest du Centre de recherche Langley à Hampton, en Virginie, aux États-Unis, avec deux amies et collègues : l'aspirante ingénieure Mary Jackson et la superviseure d'équipe Dorothy Vaughan. À la suite du lancement réussi de Spoutnik 1, Al Harrison, directeur du Space Task Group, exige encore plus d'efforts de la part des employés sous sa supervision, de crainte que les Soviétiques ne mettent en orbite une bombe H pouvant exploser au-dessus du sol américain. Goble est envoyée dans son groupe pour vérifier les calculs, devenant la première Afro-Américaine à participer à ce groupe de recherche. Au début, elle est ignorée de ses collègues blancs et doit travailler à partir de données partiellement masquées (Goble n'ayant pas le niveau d'habilitation nécessaire) sous les ordres de Paul Stafford, un homme croyant en sa supériorité intellectuelle et refusant de reconnaître le travail de Katherine.
En 1951, les inspecteurs Nock et Staehl sont responsables du dossier sur le cambriolage du domicile d'Alan Turing. Étonnés autant par le fait qu'il ne semble pas y avoir eu vol que par le fait que le professeur Turing semble souhaiter qu'ils évitent d'enquêter, ils fouillent alors le passé de celui-ci.
Karen Christence Dinesen (Meryl Streep) est une jeune aristocrate danoise qui rejoint le Kenya — à l'époque coloniale britannique — pour épouser le frère de l'amant qui n'a pas voulu d'elle. Par son mariage, elle devient la baronne Karen Blixen. Elle en vient vite à éprouver un amour profond pour l'Afrique, alors que l'Europe entre dans la Première Guerre mondiale. Elle fait pousser des caféiers dans sa ferme à l'initiative de son époux, le projet initial étant une laiterie, dans l'espoir de protéger la tribu africaine qui y vit. Délaissée par son mari volage, Karen s'éprend violemment d'un chasseur farouche, épris d'aventures, Denys Finch Hatton (Robert Redford).
Au début des années 1960, la Ford Motor Company connait des problèmes financiers. Henry Ford II met alors la pression à ses employés pour trouver des solutions. Lee Iacocca suggère alors de relancer la marque dans l'univers de la compétition automobile. Il est alors envisagé que Ford rachète Ferrari. Mais la rencontre avec Enzo Ferrari tourne au fiasco et c'est finalement Fiat qui signe l'accord. Le « Commendatore » est même très insultant envers la marque américaine et son patron, Henry Ford II. Ce dernier, piqué au vif, en fait une affaire personnelle. Ford décide alors de faire appel à Carroll Shelby, le seul américain vainqueur des 24 Heures du Mans (en 1959). Il est chargé de construire une voiture capable d'anéantir la suprématie de Ferrari pour les 24 Heures du Mans 1966. Carroll Shelby va ainsi développer la Ford GT40 Mk II avec l'aide de Ken Miles, un pilote au caractère bien trempé qui ne plait pas trop au sein de Ford.
En 2003, l'étudiant à l'université Harvard Mark Zuckerberg (Jesse Eisenberg) est largué par sa copine Erica Albright (Rooney Mara) durant une soirée. Il revient ivre à sa résidence d'étudiants et rédige un blog pour la discréditer. Cela lui donne l'idée de créer un site interactif nommé Facemash qui permettra aux utilisateurs du campus d'élire l'étudiante la plus jolie par le biais de leurs photos piratées sur les trombinoscopes des différentes résidences. Pour obtenir un classement unique de toutes les étudiantes à partir des comparaisons deux à deux de leur attractivité, il s'inspire du classement Elo, utilisé pour les joueurs d'échecs. L'idée fonctionne, le succès est immédiat et conduit au crash du réseau local du campus au milieu de la nuit.
En avril 2009, un esquif embarquant quatre pirates somaliens, aborde, après une première tentative ratée, le porte-conteneurs américain MV Maersk Alabama qui navigue au large de la corne d'Afrique. L'équipage se cache dans la salle des machines et parvient à rendre le bateau inopérable. Le chef des pirates part à sa recherche mais se fait neutraliser. Cependant, les trois autres pirates à bord détiennent le capitaine. Un marché est alors conclu : les pirates qui ont perdu leur esquif peuvent repartir dans le canot de survie et avec trente mille dollars en liquide. Mais au moment de l'échange du chef des pirates contre le capitaine, ce dernier se fait piéger dans le canot : il est de nouveau pris en otage. Le porte-conteneurs se met à suivre le canot, rejoint plus tard par un navire de la marine de guerre des États-Unis. Les preneurs d'otages espèrent atteindre la côte de la Somalie. Une équipe SEAL (des forces spéciales de la marine américaine) arrive à son tour, et prend la direction de l'opération. Le chef des pirates monte alors sur un navire de la Navy pour négocier. Pendant ce temps, des tireurs d'élite attendent d'avoir la possibilité d'abattre les trois pirates restants en même temps. Lorsque l'occasion se présente, l'ordre de tirer est donné. Les trois pirates s'écroulent, le capitaine est rapatrié sur le navire militaire, le chef des pirates est arrêté.
Dans les années 1930, John Dillinger (Johnny Depp) a trouvé sa vocation dans le braquage de banques. Le FBI fait de lui l'ennemi public numéro 1 et demande à Melvin Purvis (Christian Bale) de le traquer.
Howard Hughes est un richissime homme d'affaires, passionné par les avions et le cinéma. En 1930, il produit et réalise ainsi le film Les Anges de l'enfer dans lequel il investit des sommes colossales. Il devient rapidement une célébrité et entretient des relations tumultueuses avec les stars de cinéma de l'époque comme Katharine Hepburn et Ava Gardner. Il engage également un bras de fer avec la compagnie aérienne Pan Am, pour permettre à sa compagnie, la TWA, de pouvoir couvrir les lignes à l'international. Mais dans l'intimité, Howard Hughes souffre de multiples troubles obsessionnels compulsifs qui évoluent rapidement et le rongeront jusqu'à la fin de ses jours.
Au XIIIe siècle, Édouard Ier d'Angleterre, surnommé Longshanks (« aux longues jambes ») mais aussi The Hammer of Scots par les Anglais, occupe une bonne partie du sud de l'Écosse. Son oppression conduit à la mort du père et du frère du jeune William Wallace. Des années plus tard, après que Wallace a été élevé à l'étranger par son oncle, les Écossais continuent de vivre sous les lois cruelles d'Édouard Ier. Wallace revient dans son village natal avec l'intention de vivre comme paysan et d'éviter de s'impliquer dans les troubles qui agitent le pays. Il retrouve son amie et amour d'enfance, Murron MacClannough, à laquelle il montre le chardon, soigneusement préservé, qu'elle lui avait donné quand ils étaient enfants. Les deux jeunes gens se marient en secret afin d'éviter le décret du noctis primae (droit de la « première nuit ») que le roi a énoncé. Plus tard, quand un soldat anglais brutalise Murron et tente de la violer, Wallace vole à son secours. Il l'aide à monter à cheval pour qu'elle s'échappe pendant qu'il retient les soldats. Mais elle est finalement capturée et le shérif lui coupe la gorge en public, en proclamant : « une attaque contre les soldats du roi est pareille à une attaque contre le roi lui-même ». En représailles, Wallace, bientôt rejoint par les villageois, massacre la garnison anglaise et tranche la gorge du shérif à l'endroit même où celui-ci a tué Murron, et avec le même poignard. Ainsi débute la quête de Wallace pour l'indépendance de l'Écosse.
Au début des années 1970, Hunter « Patch » Adams est un étudiant en médecine surdoué mais excentrique qui, après une dépression et un séjour volontaire en hôpital psychiatrique, s'est découvert un don pour apporter du réconfort et de l'aide à ses semblables par le biais du rire. Il croit alors avec conviction en une approche révolutionnairement plus humaine et relationnelle de la médecine. Il développe avec deux collègues étudiants et amis un foyer humanitaire de soins qui aide des personnes ne trouvant pas le secours recherché auprès de la médecine.