《美丽心灵》的创意最初源自于发表在《名利场》杂志上的一篇关于诺贝尔奖数学家约翰·纳什的文章，讲述的是一个天才长时间与自己的精神疾病斗争并最终获得成功的感人故事。这个故事后来被西尔维娅·纳萨尔写成了小说，拥有了更多的读者。感觉到它是拍摄电影的绝佳题材，《名利场》杂志的编辑格雷东·卡特将这篇文章引荐给了好莱坞制片人布莱恩·格拉塞。
格拉塞也觉得它能拍成一部十分好看的电影，在征求过合作伙伴罗恩·霍华德的意见后，他恳求环球影片公司为他的想象娱乐制片公司买下了该书的版权。霍华德读了杂志上的文章也深受感动，但因为档期的问题他不敢确定自己能否亲自执导。
“我认为这篇文章的确有产生一部伟大电影的可能性，”他说，“但是，一切取决于它能否成功地被改编成剧本。”
编剧阿基瓦·戈斯曼写过《致命代理人》、《永远的蝙蝠侠》和《杀戮时刻》，当听说了这起版权交易后，他要求经纪人立刻安排与格拉塞会面。他早在《名利场》刊登出这篇文章之前就读过约翰·纳什的生平，确信能拍出一部好电影。
戈斯曼深知自己的创作经历难以说服格拉塞他就是最合适的编剧人选。他写过几个很成功的电影剧本，但没有一个算得上是有深度的。一部讲述数学天才与精神分裂症作斗争的剧本必然需要编剧有高度的智慧和对细节足够的把握能力。
不出所料，格拉塞希望知道戈斯曼凭什么能证明他具有创作这个剧本的潜质。戈斯曼的回答令他大吃一惊。原来，若干年前，他的身为儿童心理学家的母亲在布鲁克林的家中创办了美国最早的智障儿童诊所。戈斯曼每天都是和这些患有精神疾病、包括精神分裂症的孩子生活在一起，耳濡目染的是他们怪异的言行举止。在他看来，不管他们的行为多么不合常理，他都能领悟到这些行为所代表的感受。
每个创作者心中都有一部他希望用此生能完成的作品，无论是一本书，一台戏，一篇文章，一首诗或电影剧本。对戈斯曼来说，这部作品就是《美丽心灵》的剧本。他迫不及待地央求格拉塞同意由他来完成这份工作。面对这份激情，格拉塞感到他别无选择，当即决定雇用戈斯曼。
见到剧本初稿时，格拉塞感到一丝震惊，因为戈斯曼的工作如此出色，他几乎只用文字就将读者带入了纳什身陷疯狂的困境。霍华德也有同感，他毫不犹豫地决定亲自出任导演。这对他来说是一场重大的挑战，尽管他也拍过诸如《阿波罗13号》和《天茧》这样的严肃题材的电影，但他觉得《美丽心灵》不仅仅是一部电影，更有可能成为他职业生涯的一个转折点。他是世界上最受尊敬的导演之一，然而迄今为止他还没有获得过一次奥斯卡奖，也未能得到影评界应有的评价。在很多人眼里，他仍被当作早年活跃在银幕上的那位满脸雀斑的童星。
要想把这个出色的剧本变成同样出色的电影，首先考验他能力的就是选演员。他需要一个能够超越年龄限制的演员扮演约翰·纳什，既能演出20多岁小伙子的活力，又能真实可信地变成一个60岁的老人。这个男演员要足够聪明，以配得上纳什的高智商；要情绪多变，这样才能演出一个精神分裂者的颠狂；当然还要有创造力，以使角色不落俗套。
霍华德考察了很多人，只有罗素最符合他的要求。当时《角斗士》尚未公映，但罗素在《局内人》中的表演足以给霍华德留下深刻的印象。除了他是一位美誉度很高的性格演员，霍华德还听说罗素像纳什一样难以捉摸。
收到剧本时，罗素正在和乐队一起在奥斯汀录棚。当天晚上下着瓢泼大雨，他回到租来的公寓里一口气读完了剧本。他心跳开始加速，于是他回过头去又看了一遍，并认真地在属于纳什的对白旁边做起了注解。如果他觉得这段对白与某个特定环境不相适应，他就在上面画个圈，希望能改得很合适一些。等他做完这些备注后，他已经确定这个角色非他莫属。
霍华德见到罗素时，他吃惊地发现这名演员做的案头准备竟然比自己多得多。谈话结束时，霍华德确信罗素是扮演纳什的最佳人选。
定下了罗素，霍华德把注意力转向了其他的角色。因为这是一部关于纳什和妻子艾丽西娅之间不解之缘的爱情片，女主角的人选尤为重要。作为纳什生命中唯一的精神支柱，艾丽西娅必须由一位聪慧、坚强、果敢而又不乏魅力的女演员担当。
霍华德选中的是詹妮佛·康纳莉，这位31岁的女星从少女时代便登上银幕，迄今已演出过数十部电影。霍华德对她并不陌生，因为她曾在他担任制片人的《艾博特姐妹》中担任过角色。他最欣赏的是她在表演中常常会有意想不到的灵感，觉得她能够与罗素成为一对出色的银幕伉俪，但为了保险起见，他还是安排她在纽约自己的办公室里与罗素一道试镜。
康纳莉第一眼见到罗素时，觉得对方的态度十分不友好，但他的出现还是令她印象深刻。“他一走进房间，我就感到了一种力量，”她说，“他有某种特殊的魅力，你会忍不住想多看他几眼。”试镜结束后，罗素令她很意外地把她送上电梯并叫自己的司机送她回家。
配角方面，霍华德安排艾德·哈里斯扮演神秘的政府官员威廉·帕切尔，克里斯托弗·普卢默出演精神病专家罗森博士，保罗·贝塔尼扮演纳什的同屋查尔斯·赫尔曼，朱迪·赫尔奇饰演纳什在普林斯顿大学的导师海林格尔。
回澳洲治疗肩伤期间，罗素时常通过电话和电子邮件与霍华德联系，就他的角色提出建议，其中重要的一条就是希望他的戏能按时间顺序拍摄。出于成本的考虑，导演通常都是把背景、灯光或主题相同的场面安排在一起拍摄，但是罗素觉得如果他前一天还在演年轻时的纳什，第二天就要演年老时的他，这会影响到他对人物内心准确的把握。他希望能按照故事发展的线索一步步地往后拍。
霍华德对罗素的请求表示理解，并且让他放心制片商为了一部高质量的艺术电影是会考虑适当调整拍摄周期的。在罗素深入研究纳什这个角色的同时，霍华德也把罗素作为他的研究对象。“我专门找了与他合作过的导演了解情况，他们普遍反映他是个不好对付的演员，”他说，“他见我第一面时就直截了当地说，‘我脾气不好，但我不是个无理取闹的混帐。我希望别人不只是把我当成一个会走动的道具，因为我也有我的想法。’我采纳了他的意见，不管拍摄有多紧张，我都会停下来询问他的看法。我营造出一种开放的氛围，允许大家畅所欲言，这对罗素很管用，我们的合作也因此变得十分顺畅。”
开拍前，罗素看了采访纳什的录像，这对他理解人物帮助很大。他没见过纳什本人，但他把想知道的问题都写下来，然后通过看别人采访纳什的录像寻找答案。
看录像时，罗素迷上了纳什的那双手，尤其是他那又尖又长的指甲。他甚至四处打听如何能在短时间内让指甲长到那样的长度，在得不到任何回答的情况下，他只好让化妆师为他安了一付假指甲。
多年来，罗素一直为他的这双手感到苦恼，他认为他的手指长得缺乏魅力，至少与他国际影星的身份不般配。在接受《闲暇》杂志女记者黛安·索耶采访时，他不好意思伸手给对方看。“它们又粗又短，不够精致不说，还布满了小的疤痕，”他说，“昨天在飞机上我还自嘲地说，‘伙计，你没有一双属于好莱坞的手。”
最让罗素感到棘手的还是人物的古怪性格。在疯狂和天才之间，他难以找到一个平衡点。母亲曾经告诉他，他小时候就被认为有点疯狂，经常胡言乱语，行为令人难以捉摸。他真的疯狂吗？这一点罗素自己最清楚不过，他之所以言行怪戾，是因为他内心燃烧着一种无名的怒火，他觉得自己的这种亲身体验可以嫁接到纳什这个人物身上。
除了研究采访纳什的录像，罗素还在纽约街头注意观察那些情绪不稳定的人。东92街上的一个男人给他留下了非常深的印象，这个人总是与他想象中的人滔滔不绝地说话。罗素与他以及从旁边经过的人聊天，从中总结出了那些精神错乱的人的表现以及周围人对他们的反应。
影片选择在罗素获得奥斯卡奖的第二天开拍，这意味着他不得不推掉所有祝贺一类的应酬，而这恰恰是他求之不得的。他已经厌倦了无休止的鸡尾酒会，期盼着早日投入工作。
到达纽约之后，他专程前往西弗吉尼亚的布鲁菲尔德，这个小镇是纳什的出生地。他在镇上漫无目的地散步，只为感受一番纳什年轻时的生活环境。不幸的是，一场突如其来的大雪打乱了他的计划，他日夜兼程地往回赶，担心错过第二天一早与导演罗恩·霍华德的会面。
当他出现在霍华德面前时，后者简直惊呆了：这难道是期待中的约翰·纳什吗？只见他身穿脏兮兮的皮夹克，蓬头垢面，还留着长长的胡须。直到事后，霍华德仍心有余悸地说：“当时我们已经做好了一切准备，可是罗素的这付模样宛如给我们当头泼了一盆冷水，而换人已经是来不及了。”
事实证明这完全是一场虚惊，当罗素最终站到摄影机前时，他让在场的所有人都不得不信服：他就是约翰·纳什。拍摄期间，最令罗素感到意外的是约翰·纳什本人的不请自到。罗素向他作了自我介绍，并问了他一个简单的问题：“你想喝茶还是咖啡？”纳什为这个问题足足思考了15分钟，最终回答说他无所谓茶还是咖啡，他只是想坐下来看一会儿拍戏。罗素和霍华德对纳什的迟钝深有感触，他们决定把这一段写进了剧本。
影片大部分是在新泽西拍摄的，外景地包括了贝尔维尔、普林斯顿和拜翁，另外一些场景则选择在纽约的曼哈顿学院和福特哈姆大学。在普林斯顿大学拍戏时，罗素又一次让人领教他的坏脾气。他在校园里散步时，无意中发现一名女学生正在从二楼窗户里探出身来对他拍照。他气不打一处来，立刻竖起中指，回敬对方一个下流的手势。
这下事情闹大了。罗素的照片被登在了学生自办的《普林斯顿日报》上，继而又被全国性的报纸转载。那名名叫梅瑞迪斯·莫洛妮的女学生气愤地说：“我不是在大街上，我是在我的校园里，而且我丝毫没有干……扰他工作。现在，我相信关于他的传言说的没错——他是个浑蛋！”霍华德见势不妙，马上站出来为他的明星辩护，说他之所以会作出冒犯举动，是因为他沉浸在他的角色中无法自拔，希望大家不要把他当成一个“坏蛋”。
霍华德的担心不是没有道理，因为这部戏的拍摄必须得到大学生们的支持，尤其是在需要他们充当群众演员的时候。好在罗素自有他的办法，在拍纳什获颁诺贝尔奖的那场戏时，他发现台下观众无精打采、坐立不安，于是当镜头扫向他们时，他忽然从怀中掏出了他刚刚得到的奥斯卡金像，并且挥舞起来。这一招果然奏效，观众席顿时笑声、掌声一片，这正是这场戏想要的效果。
《美丽心灵》开始于约翰·纳什在普林斯顿大学的求学经历。尽管进入这所常春藤名校对于任何人来说都是一份至高无上的荣誉，但纳什却很难融入这里的课堂气氛。听课时，他无精打采，思绪早已飞到了天边云外。
在这个集体里，他找不到自己的位置，优雅的社会交际他根本不屑一顾，更别提与女人正常地交往。在与同屋查尔斯·赫尔曼的交谈中，他承认自己不喜欢周围的人，而同学们也把他当成了怪物。
实际上，他沉迷着的只是一件事：寻找一个真正有创意的理论。他深信这才是他应该追逐的理想。于是，他把大部分时间用于在图书馆的窗玻璃上写写画画，那都是一些别人无法看懂的计算公式。
导师警告他，由于他经常缺课而且找不出任何不交作业的理由，他很可能会有麻烦。然而，学期结束时他却因为一篇极富创意的论文赢得了导师的赞扬。
5年后，已经毕业的他得到美国国防部最高统帅的召见。科学曾为美国在第二次世界大战中的获胜发挥了巨大的作用，如今冷战盛行，纳什渴望在这场新的冲突中发挥自己的优势，他将协助情报人员破解敌人的密码。在从事这份工作时，他注意到有一个神秘的男人在远处注视着他。
纳什同时也在麻省理工学院进行研究和教学，这是一份众人觊觎的工作，但他却心猿意马，直到有一天他遇到了艾丽西娅，这个美丽的物理系学生引起了他的注意。
那个名叫威廉·帕切尔神秘男子再度出现了，他把纳什带进了校园内的一个军事禁区，那里的人正在从事一些特殊的工作。帕切尔让纳什看了一段影片，并告诉他影片里的那些德国厂房是纳粹制造原子弹的工厂，二战结束后，这些工厂落入了俄国人手中。帕切尔要求纳什协助政府破解隐藏在杂志和报纸里的敌人用来传递情报的密码。
当纳什开始向艾丽西娅求婚之际，他发现自己每到一处都会被人监视。随着时间推移，他终于发现那些密码代表着敌人核试验工厂的方位。他写好的报告，将它们装在信封里，然后像间谍一样投进一幢大房子外的信箱里。
不久，纳什和艾丽西娅结婚了，但是他不能告诉她他正在为帕切尔所从事的危险工作。这项工作稍有不慎泄密，后果将不堪设想。纳什只能偷偷为之，他被这项工作深深地迷住了，并最终迷失在这些无法抵御的错觉中。经诊断，他得的是妄想型精神分裂症。
纳什的遭遇令艾丽西娅惊恐万分，但她仍然在她爱着的男人身上发现了他的超凡魅力，这也是支撑她对他承诺的动力所在。被艾丽西娅坚贞不渝的爱情和忠诚所感动，纳什也有了继续生活下去的信心。处在病魔的重压之下，他仍然被那令人兴奋的数学理论所驱使着，一如既往地继续进行着他的研究。
1994年，纳什终因在博奕论方面颇具前瞻性的研究著述而获得了诺贝尔经济学奖，他以坚韧的毅力不仅证明了他有一个天才的头脑，而且具有一个美丽的心灵。
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