La película cuenta la historia de Erin Brockovich, una joven mujer divorciada dos veces, sin estudios y madre de tres hijos pequeños, que dadas las dificultades económicas que implica mantenerlos, se ve obligada a buscar con desesperación un empleo. Sufre un accidente automovilístico del que resulta con lesiones, por lo cual decide demandar al culpable. Dicha demanda es pérdida por su comportamiento maleducado en el tribunal y los prejuicios del juez. Enfrentada a la desesperación de no tener dinero, decide pedir trabajo al abogado de su causa, Ed Masry, pues considera que éste tiene una deuda con ella por haber perdido.

Durante el desarrollo de su trabajo, tropieza con unos registros médicos colocados en los archivos de una causa pro bono inmobiliaria, lo que le extraña. Por ello inicia una investigación del tema con autorización de Ed, que la lleva a trasladarse a un poblado en California donde descubre que está ante un caso de aguas subterráneas contaminadas con Cromo 6 (un tipo de Cromo altamente nocivo) con graves consecuencias en la salud de quienes viven allí.

Así Erin, sin ser abogada y solamente impulsada por la injusticia que presencia al constatar los engaños urdidos por la empresa contaminante (Pacific Gas & Electric) para que los habitantes de la zona no descubran la contaminación, inicia una investigación exhaustiva que la llevará a descubrir que se trata de una contaminación gigantesca, que afecta a centenares de personas. Su ansia de justicia la lleva a realizar grandes sacrificios personales, como dejar a sus pequeños hijos con desconocidos, dedicando gran parte de su día a visitar a las víctimas, informarles de la contaminación, e interiorizarse más sobre el caso.

Finalmente, tras un acuerdo con los abogados de la contraparte (que les permite llevar la resolución del caso a un arbitraje para mayor celeridad) y con la información otorgada por un ex trabajador de la empresa que tenía en su poder documentos que constataban que la sede central sabía de la contaminación que efectuaban, ganan el juicio, convirtiéndose en la mayor indemnización de perjuicios por daño ambiental que se ha otorgado en Estados Unidos.