อหนังชีวประวัติที่เล่าเรื่องราวที่มาที่ไปของสาวน้อยมหัศจรรย์ในช่วงยุค 1940s ซึ่งเกิดจากคน 3 คน คือ ศาสตราจารย์ด้านจิตวิทยามหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดและเป็นผู้คิดค้นเครื่องจับเท็จ วิลเลียม มาร์สตัน (ลุค เอแวนส์) ร่วมกับภรรยา 2 คน คือ อลิซาเบธ มาร์สตัน (รีเบคคา ฮอลล์) และ โอลีฟ เบิร์น (เบลลา ฮีธโคต) โดย ศาสตราจารย์มาร์สตันถูกสอบสวนหลังจากถูกตั้งข้อหาว่าการ์ตูน วันเดอร์ วูแมน ของเขามีความวิปริตทางเพศ และมีเนื้อหาที่ส่อให้เกิดความรุนแรง ในขณะเดียวกัน ตัวมาร์สตันที่มีเมีย 2 คน ก็ยังต้องพยายามปกปิดชีวิตลับ ๆ เอาไว้ เพราะในเวลานั้นสังคมยังรับไม่ได้ มาร์สตัน ผู้เป็นอาจารย์หนุ่มในมหาวิทยาลัย กำลังมองหานักศึกษามาช่วยทำงานวิจัย ก่อนที่เขาจะไปถูกชะตากับสาวน้อย โอลีฟ เบิร์น แม้ว่าตนเองจะมีภรรยา อลิซาเบธ อยู่แล้ว ขณะเดียวกัน โอลีฟ เอง ก็มีใจให้กับมาร์สตัน และยิ่งไปกว่านั้นคือ อลิซาเบธ เองก็ดูจะแอบสนใจโอลีฟด้วยเหมือนกัน! ซึ่งหากจินตนาการความสัมพันธ์แบบนี้เกิดขึ้นในปี 2017 มันก็ถือว่ายังเป็นเรื่อง ‘แปลก’ และบางคนอาจมองว่ามันอยู่ในเคส ‘วิปริต’ น้อง ๆ พวก incest ฉะนั้นแล้วเมื่อเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นในยุค 40s มันก็ยิ่งกลายเป็นความสุดโต่งแบบทวีคูณ