Il Teorema di Margherita vede protagonista la giovane Marguerite Hoffmann (Ella Rumpf), studentessa di matematica nella migliore università francese: l’École Normale Supérieure di Parigi. È un vero talento e l’unica ragazza della sua classe. Marguerite ha dedicato tutta la sua carriera universitaria allo studio e in particolare alla sua tesi incentrata sullo sviluppo di un nuovo teorema. La giovane è prossima alla laurea e dovrà esporre i suoi studi di fronte uno stuolo di ricercatori.
Alla vigilia della sua laurea, la ragazza si accorge di un errore nella tesi e ne rimane così sconvolta che la sua mente si annebbia. Ogni certezza avuta fino ad allora cade miseramente e Marguerite decide istintivamente di mollare tutto. Dovrà ricominciare tutto da capo e il professore che l’ha seguita con dedizione sin dall’inizio dei suoi studi, le impone di collaborare con Lucas (Julien Frison), un altro studente. Marguerite, però, si lega tantissimo con Noa (Sonia Bonny), con cui stringe per la prima volta nella sua vita amicizia
Dopo un’esistenza dedicata solamente allo studio, la ragazza si aprirà alla vita sociale, imparando a destreggiarsi tra le relazioni e le amicizie in un mondo del tutto nuovo per lei. Le nuove sfide che le si presenteranno davanti non avranno a che fare solo con la matematica, come l’irrisolvibile teorema di Goldbach, ma anche con qualcosa di nuovo come l’amore.