Elle a découvert de quelle matière sont composées les étoiles et changé notre façon de regarder le ciel. En 1925, à seulement 25 ans, Cecilia Payne bouleverse l'astronomie en levant le voile sur l'un des plus grands mystères de l'Univers : en analysant la lumière des étoiles, la jeune chercheuse démontre que celles-ci sont principalement constituées d'hydrogène et d'hélium.
Cecilia Payne comprend très tôt qu'elle veut consacrer sa vie aux sciences. Elle étudie à Cambridge puis, faute de perspectives pour une scientifique en Angleterre, elle traverse l'Atlantique et rejoint l'Observatoire de Harvard, où elle côtoie une fantastique communauté de femmes astronomes. Elle deviendra, après dix années 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.
Le destin de Cecilia Payne est celui d'une pionnière : une extraordinaire aventure intellectuelle, vivante et incarnée, rythmée par des découvertes, en dépit des rivalités et des préjugés.