Née en 1706 dans une famille noble et cultivée, Émilie a la chance de bénéficier de la même instruction que ses frères. Elle rêve d'être une vraie savante, à l'égal des hommes. Mariée à dix-neuf ans au marquis du Châtelet, un militaire de vieille noblesse qu'elle mène par le bout du nez, elle est rapidement mère de deux enfants. Le couple s'est installé en Bourgogne mais, quand son mari part rejoindre son régiment en Lorraine, d'un commun accord avec lui, Émilie décide de rentrer à Paris voler de ses propres ailes.
Après avoir mené une vie mondaine et frivole et connu quelques déboires amoureux, la marquise du Châtelet reprend ses esprits et se remet à ses chères études. Acceptée comme élève par Maupertuis, un des savants les plus prestigieux du moment, elle devient la seule femme en France capable de pénétrer la physique du génial Anglais Isaac Newton.
Voltaire, de douze ans son aîné, s'éprend d'elle. C'est le début d'une grande passion, sentimentale et intellectuelle, qui évoluera avec le temps en amitié indéfectible.
À près de quarante-trois ans, Émilie donne naissance à une fille, fruit d'une dernière passion, et meurt quelques jours plus tard.
Fidèle à sa mémoire, c'est Voltaire qui fera paraître son grand ouvrage sur Newton.