In seguito alla morte della madre Nawal, due gemelli, Jeanne e Simon, scoprono alla lettura del testamento di avere un fratello e un padre ignoti a Beirut. Dei due, solo Jeanne decide di relazionarsi alla scoperta e di partire per Deressa (o Daresh), dove la madre compì i suoi studi universitari. Le ricerche della figlia procedono di pari passo con uno sguardo al tragico percorso giovanile della madre, entrambi diretti verso la verità sui parenti scomparsi.
Al quarto lungometraggio, Denis Villeneuve dimostra di essere un regista con due ossessioni: la matematica e le tragedie contemporanee. Dopo averle incrociate in un racconto su una strage compiuta nel 1989 al Politecnico di Montréal (Polytechnique), adatta una pièce teatrale sul dramma di una donna palestinese in un teorema filmico. La donna che canta è un film costruito come una formula e la prima inquadratura è la sua equazione: la prima immagine mostra infatti una finestra affacciata su una piantagione di ulivi, passando poi lentamente verso l'interno di una stanza dove un ragazzino rasato da dei miliziani palestinesi guarda verso di noi.
La storia raccontata è in parte basata sulla vita di Souha Fawaz Bechara e su avvenimenti accaduti durante la guerra civile libanese, ma nel film si afferma solamente che la storia si svolge in Medio-Oriente, mentre i nomi dei luoghi e delle città sono stati cambiati.