Los Angeles, 1928. Christine Collins (Angelina Jolie), mère célibataire et opératrice téléphonique, laisse à la maison son fils de neuf ans, Walter (Gattlin Griffith) pour aller travailler. Alors que son supérieur lui propose une promotion, Christine manque le tramway qui devait la ramener chez elle. Le soir, quand elle rentre, elle retrouve la maison vide. Quelques mois plus tard, la LAPD informe Christine que Walter a été retrouvé vivant et en bonne santé. Désireuse de redorer son blason après de récentes critiques, la police décide de convier la presse aux retrouvailles de la mère et de l'enfant. Mais, contre toute attente, et malgré le fait que « Walter » (Devon Conti) assure être le fils de Christine, cette dernière ne le reconnaît pas. Le Capitaine J. J. Jones (Jeffrey Donovan), chef de la brigade des mineurs de Los Angeles insiste et fait pression sur Christine qui accepte de recueillir le garçon chez elle.

Christine met rapidement en évidence des différences physiques entre le jeune garçon et Walter, et en informe le Capitaine Jones qui décide d'envoyer un médecin (Peter Gerety) sur place pour étudier cela. Ce dernier explique à Christine que son « fils » a rapetissé suite à un tassement de sa colonne vertébrale provoqué par les mauvaises conditions de détention qu'il a subies. Il explique également la circoncision du garçon par la volonté hygiéniste de son ravisseur. Après le rapport du médecin à la presse, les journalistes se déchaînent contre Madame Collins, l'accusant de rejeter ses responsabilités de mère. Néanmoins, plusieurs personnes acceptent d'aider Christine. Ainsi, le révérend Gustav Briegleb (John Malkovich), animateur très influent et célèbre d'une radio protestante, l'aide à garder espoir et à témoigner contre la police en lui conseillant de faire une intervention dans les médias. Le dentiste et l'institutrice de Walter se joignent également à elle et signent tous deux des documents attestant que le jeune garçon est un imposteur.

Le Capitaine Jones réagit très violemment à cette attaque directe contre son département. Pour la faire taire, il hospitalise de force Christine au département psychiatrique du Los Angeles County Hospital prétextant un comportement qu'il juge dangereux envers elle-même. Là-bas, elle se lie d'amitié avec Carol Dexter (Amy Ryan) qui lui dit qu'elle est également victime, comme bien d'autres femmes, des forces de l'ordre. Son médecin (Denis O'Hare) lui demande de signer un papier qui atteste qu'elle a menti, que la police n'est pas en faute, sans quoi, elle ne sortira pas de l'hôpital, mais Christine refuse. Le révérend Briegleb se rend rapidement compte de la disparition de Christine, et se plaint auprès de la LAPD de son incompétence, sa corruption et ses erreurs judiciaires ; menée par son chef, James E. Davis (Colm Feore).

En parallèle, le détective Ybarra (Michael Kelly) voyage dans un ranch de Wineville, dans le comté de Riverside, pour arrêter Sanford Clark (Eddie Alderson), un immigré de quinze ans. L'oncle du garçon, Gordon Northcott (Jason Butler Harner), s'enfuit, alerté par la visite du détective. Sanford, avant de rentrer au Canada, avoue au détective que son oncle l'a forcé à l'aider pour kidnapper des enfants, et les tuer ensuite. Il déclare à l'inspecteur avoir commis environ vingt meurtres, et identifie potentiellement Walter comme l'un d'entre eux.

Le Capitaine Jones ordonne au détective Ybarra de renvoyer Clark vers le Canada, mais celui-ci ne l'écoute pas, perturbé par ce qu'il vient d'entendre. Il demande alors à Sanford Clark de lui révéler les lieux du crime et y découvre des ossements humains. Grâce à cette découverte, le révérend Briegleb fait libérer Christine Collins. Alors, le faux Walter avoue les raisons de son mensonge : venir à Los Angeles pour voir son acteur favori, Tom Mix ; il déclare de plus que la police lui avait demandé de mentir au sujet de son identité. Gordon Northcott est arrêté à Vancouver suite à un avis de recherche. Aidée de S. S. Hahn (Geoff Pierson), un célèbre avocat, Christine Collins libère les autres femmes de l'hôpital psychiatrique, où elles avaient été enfermées à tort, et porte plainte contre la LAPD.

Le jour de l'instruction, Christine et Briegleb découvrent en arrivant à l'audience des centaines de manifestants, protestant contre le régime corrompu et demandant des réponses à la ville. L'audience est entrecoupée par des scènes du procès de Gordon Northcott. La cour ordonne que Jones et Davis démissionnent de leur poste respectif et qu'une réforme des lois sur l'internement se mette rapidement en place. Pour le procès de Gordon Northcott, les jurés le condamnent à deux ans d'emprisonnement en cellule d'isolement puis à une condamnation à mort par pendaison le 2 octobre 1930. Deux ans plus tard, Christine continue toujours ses recherches lorsqu'un télégramme de Gordon Northcott lui parvient. Ce dernier lui dit qu'il accepte d'avouer le meurtre de Walter si elle accepte de lui rendre visite avant son exécution. Cette dernière se rend au rendez-vous mais Gordon Northcott refuse de lui dire s'il a tué ou non son fils. Il est exécuté le lendemain.

En 1935, David Clay (Asher Axe), un des enfants supposés avoir été tués, réapparaît. Il explique aux policiers qu'il est parvenu, en fait, à s'échapper avec deux autres garçons, dont Walter. Malheureusement, ils furent séparés et il n'a jamais su si ce dernier avait survécu ou non. Le film se termine sur Christine retournant chez elle, remplie d'espoir.