В центре сюжета фильма "Теорема" - загадочный гость, который появляется в доме состоятельной миланской семьи. Он устанавливает тесные связи со всеми членами этой семьи: сначала с домработницей, затем с матерью семейства, после чего его внимание переключается на сына и дочь, а завершает серию встреч интимное общение с отцом семейства. Эти отношения оказывают глубокое влияние на каждого из членов семьи, пробуждая в них неожиданные чувства и желания.
После того как гость внезапно исчезает, жизнь каждой из персоналий начинает меняться самым непредсказуемым образом: домработница становится религиозной фанатичкой, мать семейства отказывается от всего материального, стремясь к духовному просветлению, сын уходит в путешествие по миру, дочь решает стать художницей, а отец, поглощенный жаждой власти и контроля, начинает скупать акции своей компании.
Фильм "Теорема" представляет собой аллегорию на тему влияния неизвестного фактора на устоявшуюся систему ценностей. Сюжет картины напоминает о математической теореме - логическом следствии, которое разрывает привычную структуру и заставляет каждого героя переосмыслить свои жизненные принципы. Фильм оставляет зрителя с вопросами о смысле жизни, поиске истины и природе человеческих отношений, не давая однозначных ответов, но предлагая глубокое размышление о показанном.