En 1925, à seulement 25 ans, Cecilia Payne bouleverse l'astronomie. En analysant la lumière des étoiles, la jeune chercheuse démontre que celles-ci sont principalement constituées d'hydrogène et d'hélium. Une découverte fondamentale, qui transforme notre compréhension de l'Univers et pose les bases de l'astrophysique moderne.
Cecilia Payne comprend très tôt qu'elle veut consacrer sa vie aux sciences. Elle étudie à Cambridge, où les femmes ne peuvent encore obtenir de diplôme universitaire. En 1923, faute de perspectives pour une scientifique en Angleterre, elle traverse l'Atlantique et rejoint l'Observatoire de Harvard, où elle côtoie une extraordinaire communauté de femmes astronomes et devient, après dix ans de recherches entravées par des postes subalternes, des résultats injustement attribués à d'autres et une reconnaissance tardive, la première femme à obtenir une chaire de professeur à Harvard et à diriger son département d'astronomie.