Erin Brockovich élève seule ses trois enfants. Étant au chômage, elle cherche désespérément du travail, mais ses choix vestimentaires ne l'avantagent pas dans ses démarches. Elle réussit néanmoins à se faire embaucher dans un petit cabinet d'avocat, celui-là même qui ne lui a pas obtenu de dédommagements suite à un accident de la circulation.

Elle va découvrir, dans un dossier mineur, qu'une société de distribution d'énergie, la Pacific Gas and Electric Company (PG&E), filiale d'une grosse société, rachète une à une les maisons d'une petite ville californienne, où de nombreux habitants sont touchés par le cancer et divers problèmes de santé. Enquêtant sur place, elle établit le lien que ces maladies graves sont causées par l'eau potable contenant des rejets toxiques, contenant du chrome, issus de l'eau de refroidissement de l'usine.

Seule au début, elle mène le combat, rassemble des preuves, motive un à un les habitants, convainc son patron de l'ampleur de l'affaire, pour obtenir enfin un dédommagement conséquent à chacune des victimes auprès de la société fautive.

Ce film est tiré d'un fait réel, la vraie Erin Brockovich y fait d'ailleurs une courte apparition dans le rôle d'une serveuse (portant un badge marqué Julia).