20世纪60年代的美国，心理学和精神分析学正处于发展的高峰，许多专家试图解开一个长期争论的问题：人的性格到底是遗传决定的，还是后天环境塑造的？为了找到答案，一位名叫彼得·纽鲍尔的心理学家与精神分析师维奥拉·伯纳德合作，策划了一项实验。他们希望找到一组同卵三胞胎，将他们分别送到不同社会阶层的家庭中抚养，以此观察成长差异。

1961年，三胞胎罗伯特·沙弗兰、爱德华·加兰德和大卫·凯尔曼出生了。刚满六个月，他们就被送往路易斯·怀斯收养机构，并按照计划被分别安置在富裕、中产和工人阶级家庭中抚养长大。整个过程对外保密，连收养家庭也毫不知情，研究人员定期以“回访”名义记录他们的成长轨迹。

多年后，命运让兄弟三人重逢。1980年，19岁的罗伯特在大学里被误认为是另一个叫“艾迪”的人——正是爱德华。两人见面后震惊不已，随后通过媒体得知还有一位与他们长得一模一样的兄弟大卫。三兄弟重聚的消息迅速传开，成为全国热议的话题。

他们一起上电视、拍电影，还在纽约开设了名为“三胞胎”的餐厅，生意一度非常火爆。然而，由于成长背景不同，他们在相处中逐渐显现出分歧，最终导致餐厅关闭。尽管如此，兄弟间的感情依旧深厚。

令人遗憾的是，后来他们得知自己竟是科学实验的一部分，这让所有人感到震惊与愤怒。面对真相，三兄弟并未沉溺于痛苦，而是选择积极面对生活。罗伯特成为律师，大卫从事保险行业，他们都努力过好自己的人生。

纪录片《三胞胎陌生人》让更多人了解到这段不为人知的历史，也引发了关于伦理与科学界限的深思。尽管他们失去了共同成长的机会，但他们用自己的方式书写着属于自己的人生篇章。