Dark Waters vertelt het schokkende en waargebeurde verhaal van advocaat Rob Bilott die net partner is geworden bij een prestigieus advocatenkantoor. Als bedrijfsadvocaat voor diverse grote chemie bedrijven, heeft hij reeds zijn sporen verdiend en daarmee zijn toekomst veilig gesteld. Wanneer hij op zijn werk benaderd wordt door een boer uit West Virginia, die beweert dat er giftig afval wordt geloosd op zijn land wat de oogst verpest en het vee doodt, raakt hij verstrengeld in een persoonlijk conflict.
In de hoop de waarheid boven water te krijgen, dient Bilott uiteindelijk een klacht in tegen chemie concern DuPont. Hij begrijpt dat er gevochten moet worden voor de gerechtigheid voor een gemeenschap die al jaren wordt blootgesteld aan dodelijke chemicaliën.
Het is het begin van een 15 jaar durend gevecht tegen het chemie concern, waarbij hij niet alleen zijn carrière en reputatie op het spel zet, maar ook zijn relatie met zijn vrouw Sarah en zijn eigen gezondheid zwaar op de proef stelt.