Jedenastoletnia Masha Kulabokhova ma zostać adoptowana przez rodzinę czternastoletniej Cami Diaz. Masha dorastała w rosyjskim domu dziecka; Cami urodziła się i wychowała w Wisconsin i przez całe życie była jedynym obiektem miłości swoich rodziców. Proces, w którym Masha staje się częścią rodziny Diaz, na zawsze odmieni obie dziewczynki. The Dark Matter of Love śledzi losy Mashy, która opuszcza Rosję, by spędzić pierwszy rok jako członkini rodziny Diaz, mającej już także adoptowanych pięcioletnich bliźniaków, Marcela i Vadima. Kiedy okazuje się, że nawiązanie więzi z dziećmi, które dorastały w instytucjach, jest trudniejsze, niż kiedykolwiek sobie wyobrażali, Diazowie zatrudniają dwoje najwybitniejszych psychologów rozwojowych na świecie, by pomogli im zbudować nową rodzinę — za pomocą nauki. Chwilami przezabawny, chwilami łamiący serce, The Dark Matter of Love łączy historię rodziny Diaz uczącej się miłości z rzadkimi archiwalnymi nagraniami eksperymentów naukowych badających miłość między rodzicami a dziećmi.