Юная библиотекарша Катя верит в любовь, но ее идеалы разбиваются о реальность. После ряда разочарований Катя наконец находит понимание и нежность в лице коллеги, журналистки Тани. Но тут вмешивается Первый отдел: государственная безопасность считает такие отношения недопустимыми для советской женщины.

1953 год, первые дни после смерти Сталина. Весь Советский Союз, в частности органы госбезопасности, переживает период тревожной неопределенности. В закрытом научном Институте учёные продолжают теоретическую и экспериментальную работу. Каждую ночь они прислушиваются к шагам в темных коридорах: за кем на этот раз пришли? Кто на кого успел написать донос? Заведующий теоретическим отделом Института Андрей Лосев, пережив страх и унижение на допросе, отказывается от сотрудничества с внутренними органами. Но его ждет новое испытание - в собственном доме.

1956 год. Дау, высокопоставленный советский физик, встречается с любовью своей молодости Марией, актрисой из Греции, которая приезжает в Москву на три дня. Они не виделись 25 лет. Успешный, обеспеченный ученый, Дау испытывает мучительную неудовлетворенность своей семейной жизнью и видит в Марии надежду вновь обрести утраченную гармонию и красоту. Но реальность вторгается в дом в лице Норы, жены Дау.

Максим и его соратники участвуют в засекреченных экспериментах по созданию нового человека. Сотрудникам закрытого Института свойственно все то, что Максим презирает: алкоголизм, распущенность, безволие, утрата идеалов и неверие в будущее. Буфетчица Института Вика влюбляется в молодого коммуниста, хотя его увлечение евгеникой и склонность к насилию ее пугают. Вика надеется, что ее страсть и нежность смягчат Максима, в то время как сотрудники госбезопасности внимательно наблюдают за развитием их отношений.

СССР. Нора - в прошлом провинциалка, а ныне - жена успешного ученого. Она с семьёй живёт на территории закрытого московского Института. Впервые после замужества Нору навещает мать, которая пристально наблюдает за атмосферой в доме супругов, чтобы понять, счастлива ли её дочь. В откровенных беседах между матерью и дочерью открывается вся многогранность и сложность их противоречивых отношений.

К ученому Никите Некрасову в закрытый Институт физических проблем приезжают его жена и маленькие дети. Пока семьи не было рядом, физик успел влюбиться в других женщин. В откровенных беседах со своей супругой - в спальне, в столовой, на прогулке - он пытается убедить ее в легитимности полигамных отношений и проверить границы ее безусловной любви.

Ученый Никита Некрасов - физик-теоретик, изучающий наш мир, и миры, которые могли бы быть. Он отказывается делать выбор между математикой и физикой, между одной женщиной и другой, и размышляет о сосуществовании параллельных вселенных. На научных конференциях, которые посещают как именитые зарубежные ученые, так и подрастающее поколение юных физиков, Некрасов увлеченно рассуждает о красоте теории струн. Всем своим женщинам - библиотекарше Кате, ученому секретарю Зое, начальнику отдела Светлане - он пытается объяснить теорию собственной полигамии и возможность большого чувства, которого хватит на всех.

СССР, 1950-е. Наташа заведует столовой в секретном НИИ. Днём женщина поглощена работой, а по ночам выпивает с младшей коллегой Ольгой - подруги делятся друг с другом романтическим надеждами и мечтами о другом будущем. Однажды на вечеринке Наташа сближается с приглашенным французским ученым Люком Биже, а на следующий день её вызывает на допрос сотрудник КГБ.

СССР, 1968 год. Секретный НИИ проводит научные и оккультные эксперименты над животными и людьми по созданию идеального человека. Генерал КГБ и его подчиненные закрывают глаза на эротические похождения директора Института, на скандальные дебоши выдающихся ученых и на их жестокие и безумные исследования. Однажды в лабораторию под видом испытуемых прибывают представители радикальной крайне правой молодежи. Они получают задание: искоренить распущенность морально разлагающихся элементов институтского сообщества, а при необходимости разрушить и стереть с лица земли хрупкий мир секретной советской науки.