Pada tahun 1960, seorang penulis lagu muda dari studio rekaman savant, Brian Wilson (Paul Dano), menyadari bahwa dia sedang dalam kesuksesan yang luar biasa dengan The Beach Boys. Brian yang telah mencetak banyak lagu hit bersama The Beach Boys terpaksa mengundurkan diri setelah dia mendapatkan serangan panik dan tidak mengikuti tur konser. Brian mencoba kembali ke studio dan bermaksud menciptakan 'album terbesar yang pernah dibuat'. Namun, lambat laun keinginannya menghilang setelah diketahui dia mengidap psychedelic. Penyakitnya telah menimbulkan suara-suara di dalam kepalanya dan selalu membuatnya panik. Di tahun 1980-an, Brian Wilson pada usia paruh baya (John Cusack) menjadi seorang pria yang tidak bisa lepas dari obat dan terapi Dr. Eugene Landy (Paul Giamatti). Kehidupannya berubah setelah dia bertemu seorang sales Cadillac, Melinda Ledbetter (Elizabeth Banks), dan mereka saling jatuh cinta. Melinda yang mengetahui keadaan Brian mencoba berbagai cara untuk menyembuhkannya sekaligus menyelamatkan Brian dari manipulasi Dr. Eugene.