No verão de 1956, o jovem Colin Clark (Eddie Redmayne), vindo de Oxford em busca de sucesso na indústria do cinema, trabalhou como assistente no set de filmagem de O Príncipe Encantado. Esta produção reunia duas grandes estrelas, Sir Laurece Olivier (Kenneth Branagh) e Marilyn Monroe (Michelle Williams), que estava nesta época em lua-de-mel com seu novo marido, o dramaturgo Arthur Miller (Dougray Scott).

Quase 40 anos mais tarde, foi publicado o diário de Miller, intitulado The Prince, The Showgirl and Me ("O Príncipe, a Vedete e Eu"), mas uma semana faltava, e estas páginas desaparecidas foram publicadas mais tarde com o título My Week With Marilyn ("Minha Semana com Marilyn"). Quando Arthur Miller deixa a Inglaterra, Colin decide mostrar a Marilyn os prazeres da vida britânica; esta torna-se uma semana idílica em que ele acompanhou uma estrela ansiosa para fugir dos holofotes de Hollywood e da pressão do trabalho.