正在工作的凯瑟琳·约翰逊
凯瑟琳于 1918 年出生在西弗吉尼亚州的一个小镇。巧合的是，她的生日——8 月 26 日——后来被美国国会选为「女性平等日」，以纪念 1920 年 8 月 26 日美国宪法第 19 条修正案通过、女性获得投票权的日子。
凯瑟琳幼年就被发现有着杰出的数学天赋。当时的她迷恋数字，「我会去数通往马路的台阶，通往教堂的台阶，我洗过的碗碟刀叉的数量……任何能数的东西我都会去数。」
10 岁的她已经完成了初中提供的所有课程，然而，她的家乡根本没有能够为八年级以上的黑人学生提供教育的学校。幸运的是，她的父母十分重视教育，节衣缩食送她离家进入一所专门培养有天赋的黑人学生的高中。
她 14 岁就从高中毕业，15 岁进入西弗吉尼亚州立大学，18 岁以数学和法语双学位最高荣誉毕业。如果是现在，这样的天才学生恐怕早已受到媒体追捧，出路也不会有什么问题；但在当时，身为一名黑人和女性，她面临着种族与性别的双重障碍，要想继续深造几乎是不可能的。她的唯一出路就是去黑人中学教书。
在弗吉尼亚州的一所高中教了几年书之后，凯瑟琳的人生出现了转机。1938年，在「密苏里州代表盖恩斯诉卡纳达案」中（Missouri ex rel. Gaines v. Canada, 1938）中，美国最高法院裁决各州必须为黑人提供与白人同等的高等教育机会；如果没有专门的黑人大学，则该州大学必须接纳黑人学生。
借此机会，凯瑟琳终于成为第一批进入西弗吉尼亚大学研究生院的三名黑人学生之一，也是其中唯一的女性。不过，她只在那里呆了一个夏天；由于这所大学对她满怀敌意，连教授也不相信她能学习研究生水平的数学，她感到非常沮丧，决定先结婚生子建立家庭。
她生了三个孩子，做了一阵子家庭主妇，但仍然没有忘记成为数学家的梦想。恰在这时，紧锣密鼓的太空竞赛使得美国国家航空咨询委员会（National Advisory Committee for Aeronautics，NACA，即 NASA 的前身）需要雇佣大批计算人员。在丈夫的支持下，凯瑟琳抓住机会，于 1953 年应聘进入了 NACA 兰利研究中心制导与导航部门，成为了一名「计算员」。
在当时的 NACA，最枯燥和重复度最高的计算工作是由女性来完成的，可以说她们被当作机器来使用；事实上，在计算机还未正式投入使用的那个年代，她们的职位名称就是 Computer，被称为「穿裙子的计算机」。
当时，NACA 仍在遵循联邦和州内的种族隔离法案，因此，凯瑟琳和其他黑人女性计算员都被隔离在与白人不同的建筑里，禁止与白人使用同样的餐饮、工作和卫生设施。她们的办公室门上也清清楚楚写着「有色人种计算员」。
成为计算员后不到两周，凯瑟琳杰出的数学天分就让她脱颖而出。她被临时被抽调到一个飞行研究小组；在那里，她的解析几何知识派上了大用场，以至于任务结束之后，大家都忘了把她「还」回去。就这样，她进入了这个原本全部由白人男性工程师组成的研究分部。
电影中一个令人印象深刻的情节是凯瑟琳因无法使用白人的咖啡机和洗手间而饱受困扰，甚至不得不每天数次跑回黑人计算员所在的建筑去使用洗手间；这个细节也成为贯穿电影的线索，并在凯瑟琳隐忍许久之后的一次愤怒爆发中达到高潮。
不过在现实中，凯瑟琳只是大大咧咧地开始使用白人专用的洗手间；因为在这个除她之外全是白人的建筑里，洗手间并没有种族标志。
很久之后，有人曾经指责她不该使用白人洗手间，但她对此充耳不闻、我行我素。在凯瑟琳的回忆中，尽管种族隔离在外面的世界是一个严重的问题，但她自己在 NASA 还是感到被尊重的。
不过，洗手间的桥段也是真实存在的，只不过更多发生在另一位女科学家玛丽·杰克逊身上。一直到 1958 年，NACA 改制为 NASA，工作人员间的种族隔离才终于被打破。
尽管面对根深蒂固的种族与性别歧视，凯瑟琳却从未放弃过争取自己应有的权利。她在工作中会不停地问问题，对所有不明白的东西一定要寻根究底；当时，NASA 的重要会议从来没有女性参加，只有凯瑟琳勇敢地站出来问：「有法律说女人不能参加会议吗？」最后，她成功争取到了列席重要会议的资格，成为会议室里唯一的女性。
