Il film si svolge nella Copenaghen degli anni Venti, dove la ritrattista Gerda Wegener è sposata con il pittore paesaggista Einar Wegener. La coppia, pur unita da un profondo amore, si trova a vivere alcune tensioni per via della notevole fama di lui e la scarsa notorietà di lei. Il rapporto tra di loro inizia a mutare ulteriormente nel momento in cui Gerda chiede al marito di posare per lei, indossando un abito femminile. È in quel momento che Einar comincia a manifestare il suo alter ego femminile, Lili Elbe. Con il passare del tempo, egli inizia a perdere gradualmente il contatto con la sua parte maschile, divenendo invece sempre più insofferente a questa. Egli decide così di ricorre ad una dolorosa operazione per cambiare la sua vera identità sessuale, mentre Gerda capirà che amare qualcuno, spesso, vuol dire lasciarlo libero.