Die Handlung von Wormwood taucht in die Untiefen des Kalten Kriegs ein und erzählt die Geschichte von Frank Olson (Peter Sarsgaard), der unter mysteriösen Umständen ums Leben kam. Frank Olson war als Wissenschaftler beim US-Militär tätig und arbeitete an einem geheimen Waffenprogramm, das entscheidende Fortschritte in biologischer Kriegsführung ermöglichte. Nach Frank Olsons Tod will sein Sohn herausfinden, was sein Vater für den als MKULTRA kryptisch betitelten Projekt genau für eine Rolle gespielt hat.