Augusto (Nick Nolte) y Michaela Odone (Susan Sarandon) son una pareja de inmigrantes italianos que vive en Estados Unidos junto a su pequeño hijo Lorenzo (Zack O'Malley Greenburg), quien luego de cumplir los cuatro años comenzó a desarrollar adrenoleucodistrofia (ALD), una extraña enfermedad provocada por un fallo genético en el metabolismo que ocasiona la degeneración del cerebro.

Basado en un relato de la vida real, Lorenzo's Oil nos cuenta cómo Augusto y Michaela Odone desafiaron a colegios de médicos, científicos y hasta grupos de apoyo que se negaban a buscar una cura para ALD; quien había sido diagnosticado con la enfermedad debía resignarse a una muerte prematura.

Sin previo conocimiento médico, la pareja de inmigrantes estudió todo lo que pudo acerca de la enfermedad. Se entrevistaron con científicos, expertos  y doctores de todo el mundo, formaron grupos de apoyo, organizaron conferencias y finalmente creyeron haber hecho un descubrimiento, un avance. Ahora comienza la parte difícil, convencer a los escépticos de que una esperanza nace con la unión de dos componentes del aceite.