Det är en vit jul i Kungälv 1938. En kvinna i 60-årsåldern och hennes systerson pulsar fram i snön. Efter en stund stannar de och slår sig ner på en omkullfallen trädstam. Kvinnan – atomfysikern Lise Meitner – tar fram en papperslapp som hon fyller med uträkningar. När hon räknat färdigt kan hon bekräfta en teori som förändrar förutsättningarna för framtida forskning och får omvälvande världspolitiska konsekvenser. Det hon finner är hur kärnklyvning går till, och vilken enorm energi det frigör.
Kärlek och kärnfysik är berättelsen om upptäckten av nukleär fission, men framför allt om relationen mellan två fysiker. I sina hemländer hade österrikiska Lise Meitner och svenska Eva von Bahr (liksom andra kvinnor) inte rätt att forska vid universiteten. De möttes därför i Berlin, i en elitistisk och mansdominerad värld, och utvecklade en kärlek som komplicerades av det första världskriget, fick politiska dimensioner i Tredje riket och skulle komma att bli livsavgörande när andra världskriget väl bröt ut.