Le mathématicien de Pi, brillant théoricien des nombres, commence sa théorie par l’axiome de Galilée à savoir que les mathématiques sont le langage du monde et celui de Pythagore que tout est nombre. Sa thèse consiste à penser que le monde est régi par des séquences de nombres ; à l’image de l’omniprésence de la suite de Fibonacci, du nombre d’or et de sa spirale associée. Concentrant ses recherches sur le nombre pi, ses résultats et ses échecs l’amènent à réfléchir sur la nature ontologique du monde, et ses discussions avec son ancien maître, joueur de go, sur la notion de conscience que peut avoir un ordinateur.

Aronofsky fait une tresse avec les recherches du savoir, du pouvoir et de dieu. Les adeptes de ces deux derniers tenteront d’aliéner la recherche du mathématicien dont le génie le conduit au bord de l’existence. Cependant l’accès au savoir ultime transforme complètement celui-ci et s’opère alors en lui une métamorphose cérébrale essentielle : le prodige ne calcule plus, il sait.