DIE FOTOGRAFIN ist die wahre Geschichte von Lee Miller, einer Frau, die ihrer Zeit weit voraus war. Mutig und entschlossen, trifft sie Entscheidungen nach ihren eigenen Vorstellungen. Als ehemaliges Fotomodell und Muse des Avantgarde-Fotografen Man Ray, ist Lee Miller es schließlich leid, das Fotosubjekt ihrer männlichen Kollegen zu sein und setzt fortan den Fokus auf ihre eigene Arbeit als Fotografin. Als der Krieg naht, ändert sich für sie über Nacht fast alles: Kurz vor dem Blitzkrieg folgt Lee Miller der Liebe ihres Lebens, dem Kunsthändler Roland Penrose (Alexander Skarsgård), in seine Heimatstadt London, wo sie schließlich einen Job als Fotografin für die britische Vogue bekommt. Frustriert von den Einschränkungen, denen sie sich als weibliche Fotografin ausgesetzt sieht, und müde von der Aussage, dass Frauen „ihre Pflicht tun“ sollen, während Männer definieren, was das bedeutet, drängt Miller die Chefredakteurin der britischen Vogue, Audrey Withers (Andrea Riseborough), die Erlaubnis zu beantragen, dass sie als Fotografin an die Front gehen darf. Aufgrund ihres Geschlechts wird Miller jedoch abgewiesen. Als sie im britischen System nicht weiterkommt, erhält Miller schließlich eine Kriegsakkreditierung aus den USA und macht sich auf den Weg nach Europa. Alleine.
Nachdem sie sich durch das belagerte Saint Malo gekämpft hat, schließt sich Miller mit ihrem Fotografenkollegen David E. Scherman (Andy Samberg) zusammen. Sie werden ein eingeschworenes Team und sind meist die Ersten, die exklusiven Meldungen und Fotos von der Front veröffentlichen. Miller und Scherman dokumentieren die Befreiung von Paris und sie schleichen sich in Hitlers verlassene Münchner Wohnung - wo das bekannteste und wichtigste Bild von Miller selbst entsteht: in der Badewanne des Führers. Sie gehören schließlich auch zu den ersten Fotografen, die die Lager Buchenwald und Dachau betreten. Dort dokumentiert Miller in jenen erschreckenden und eindringlichen Bildern insbesondere die Not von Frauen und Mädchen, die sich in die Geschichte einbrennen werden – die aber auch Miller selbst bis an ihr Lebensende nicht mehr loslassen …