En 1978, Arno Penzias et Robert Wilson se rendent à Stockholm pour recevoir le Prix Nobel de physique. Ils racontent à des journalistes l’histoire de leur découverte, en 1965, du bruit fossile de la création de l’univers il y a 15 milliards d’années. Parallèlement, en 1963, en Angleterre, un jeune étudiant en cosmologie nommé Stephen Hawking apprend qu’il est atteint de la maladie de Charcot. Hawking n’a plus que deux ans à vivre. Malgré sa maladie, qui le handicape de plus en plus, il se lance dans une recherche acharnée. Il va tenter de démontrer que la théorie de l’état stationnaire de l’univers est fausse et que le monde a eu un commencement : le big bang…

Cette fiction s’inspire de faits et de personnages réels – Stephen Hawking, notamment, qui vient de disparaître à l'âge de 76 ans. Des archives et des documents scientifiques ont servi de base à un scénario dont le premier mérite est de rendre accessibles des théories très compliquées. La découverte de Hawking est ainsi habilement dramatisée. La tête dans les étoiles est aussi le portrait d’un jeune homme en lutte contre la maladie, l’autorité de ses aînés et les idées reçues. Un jeune idéaliste qui n’écoute que du Wagner à l’époque des Beatles et séduit les jeunes filles en leur expliquant les secrets de l’univers. Hawking est un nouvel Hamlet qui cherche à apporter des réponses scientifiques à des questions métaphysiques. Le jeune savant s’abandonne corps et âme à une quête existentielle : celui qui côtoie la mort tous les jours doit justement prouver que le néant existe ; celui dont les heures sont comptées doit montrer que le temps n’est pas éternel. La vivacité du récit et l’interprétation étonnante de Benedict Cumberbatch rendent parfaitement compte de l’urgence et de l’affolement créés par la maladie.