A única certeza da vida se aproxima do astro-físico Antonio (José Wilker) assim que ele descobre ter um tumor na cabeça. Com os dias contados, o bem-sucedido cientista decide voltar ao Brasil depois de anos trabalhando e morando nos Estados Unidos. Em seu país natal, receberá uma de suas últimas homenagens e decide também visitar o pai adotivo num asilo. Numa atitude inesperada, o homem que o criou conta quem era sua mãe biológica e como pode encontrá-la.

As pistas o levam a periferia do Rio de Janeiro. Ele entra em favelas e conhece garotos envolvidos com o tráfico, meninas e a bela Luciana (Taís Araújo), uma jovem por quem se sente atraído. Esta peregrinação por ruas e bairros da cidade trazem lembranças de sua infância e do momento em que decidiu viver no exterior. Enquanto monta o quebra-cabeça de seu passado, vai descobrindo aos poucos a história de amor que uniu seus pais biológicos e precisa ser rápido, pois sua doença avança dia após dia.

O elenco de O Maior Amor do Mundo conta ainda com Deborah Evelyn, Marco Ricca, Sérgio Britto, Hugo Carvana, entre outros. O longa-metragem foi rodado no Rio de Janeiro em cerca de 60 locais diferentes. O diretor Carlos Diegues é o mesmo de Deus É Brasileiro e Orfeu e o novo filme é o 16º de sua carreira.