《美麗心靈》的創意最初源自於發表在《名利場》雜誌上的一篇關於諾貝爾獎數學家約翰·納什的文章，講述的是一個天才長時間與自己的精神疾病鬥爭並最終獲得成功的感人故事。這個故事後來被西爾維婭·納薩爾寫成了小說，擁有了更多的讀者。感覺到它是拍攝電影的絕佳題材，《名利場》雜誌的編輯格雷東·卡特將這篇文章引薦給了好萊塢製片人布萊恩·格拉塞。
格拉塞也覺得它能拍成一部十分好看的電影，在徵求過合作伙伴羅恩·霍華德的意見後，他懇求環球影片公司為他的想象娛樂製片公司買下了該書的版權。霍華德讀了雜誌上的文章也深受感動，但因為檔期的問題他不敢確定自己能否親自執導。
“我認為這篇文章的確有產生一部偉大電影的可能性，”他說，“但是，一切取決於它能否成功地被改編成劇本。”
編劇阿基瓦·戈斯曼寫過《致命代理人》、《永遠的蝙蝠俠》和《殺戮時刻》，當聽說了這起版權交易後，他要求經紀人立刻安排與格拉塞會面。他早在《名利場》刊登出這篇文章之前就讀過約翰·納什的生平，確信能拍出一部好電影。
戈斯曼深知自己的創作經歷難以說服格拉塞他就是最合適的編劇人選。他寫過幾個很成功的電影劇本，但沒有一個算得上是有深度的。一部講述數學天才與精神分裂症作鬥爭的劇本必然需要編劇有高度的智慧和對細節足夠的把握能力。
不出所料，格拉塞希望知道戈斯曼憑什麼能證明他具有創作這個劇本的潛質。戈斯曼的回答令他大吃一驚。原來，若干年前，他的身為兒童心理學家的母親在布魯克林的家中創辦了美國最早的智障兒童診所。戈斯曼每天都是和這些患有精神疾病、包括精神分裂症的孩子生活在一起，耳濡目染的是他們怪異的言行舉止。在他看來，不管他們的行為多麼不合常理，他都能領悟到這些行為所代表的感受。
每個創作者心中都有一部他希望用此生能完成的作品，無論是一本書，一臺戲，一篇文章，一首詩或電影劇本。對戈斯曼來說，這部作品就是《美麗心靈》的劇本。他迫不及待地央求格拉塞同意由他來完成這份工作。面對這份激情，格拉塞感到他別無選擇，當即決定僱用戈斯曼。
見到劇本初稿時，格拉塞感到一絲震驚，因為戈斯曼的工作如此出色，他幾乎只用文字就將讀者帶入了納什身陷瘋狂的困境。霍華德也有同感，他毫不猶豫地決定親自出任導演。這對他來說是一場重大的挑戰，儘管他也拍過諸如《阿波羅13號》和《天繭》這樣的嚴肅題材的電影，但他覺得《美麗心靈》不僅僅是一部電影，更有可能成為他職業生涯的一個轉折點。他是世界上最受尊敬的導演之一，然而迄今為止他還沒有獲得過一次奧斯卡獎，也未能得到影評界應有的評價。在很多人眼裡，他仍被當作早年活躍在銀幕上的那位滿臉雀斑的童星。
要想把這個出色的劇本變成同樣出色的電影，首先考驗他能力的就是選演員。他需要一個能夠超越年齡限制的演員扮演約翰·納什，既能演出20多歲小夥子的活力，又能真實可信地變成一個60歲的老人。這個男演員要足夠聰明，以配得上納什的高智商；要情緒多變，這樣才能演出一個精神分裂者的顛狂；當然還要有創造力，以使角色不落俗套。
霍華德考察了很多人，只有羅素最符合他的要求。當時《角鬥士》尚未公映，但羅素在《局內人》中的表演足以給霍華德留下深刻的印象。除了他是一位美譽度很高的性格演員，霍華德還聽說羅素像納什一樣難以捉摸。
收到劇本時，羅素正在和樂隊一起在奧斯汀錄棚。當天晚上下著瓢潑大雨，他回到租來的公寓裡一口氣讀完了劇本。他心跳開始加速，於是他回過頭去又看了一遍，並認真地在屬於納什的對白旁邊做起了註解。如果他覺得這段對白與某個特定環境不相適應，他就在上面畫個圈，希望能改得很合適一些。等他做完這些備註後，他已經確定這個角色非他莫屬。
霍華德見到羅素時，他吃驚地發現這名演員做的案頭準備竟然比自己多得多。談話結束時，霍華德確信羅素是扮演納什的最佳人選。
定下了羅素，霍華德把注意力轉向了其他的角色。因為這是一部關於納什和妻子艾麗西婭之間不解之緣的愛情片，女主角的人選尤為重要。作為納什生命中唯一的精神支柱，艾麗西婭必須由一位聰慧、堅強、果敢而又不乏魅力的女演員擔當。
霍華德選中的是詹妮佛·康納莉，這位31歲的女星從少女時代便登上銀幕，迄今已演出過數十部電影。霍華德對她並不陌生，因為她曾在他擔任製片人的《艾博特姐妹》中擔任過角色。他最欣賞的是她在表演中常常會有意想不到的靈感，覺得她能夠與羅素成為一對出色的銀幕伉儷，但為了保險起見，他還是安排她在紐約自己的辦公室裡與羅素一道試鏡。
康納莉第一眼見到羅素時，覺得對方的態度十分不友好，但他的出現還是令她印象深刻。“他一走進房間，我就感到了一種力量，”她說，“他有某種特殊的魅力，你會忍不住想多看他幾眼。”試鏡結束後，羅素令她很意外地把她送上電梯並叫自己的司機送她回家。
配角方面，霍華德安排艾德·哈里斯扮演神秘的政府官員威廉·帕切爾，克里斯托弗·普盧默出演精神病專家羅森博士，保羅·貝塔尼扮演納什的同屋查爾斯·赫爾曼，朱迪·赫爾奇飾演納什在普林斯頓大學的導師海林格爾。
回澳洲治療肩傷期間，羅素時常通過電話和電子郵件與霍華德聯繫，就他的角色提出建議，其中重要的一條就是希望他的戲能按時間順序拍攝。出於成本的考慮，導演通常都是把背景、燈光或主題相同的場面安排在一起拍攝，但是羅素覺得如果他前一天還在演年輕時的納什，第二天就要演年老時的他，這會影響到他對人物內心準確的把握。他希望能按照故事發展的線索一步步地往後拍。
霍華德對羅素的請求表示理解，並且讓他放心製片商為了一部高質量的藝術電影是會考慮適當調整拍攝週期的。在羅素深入研究納什這個角色的同時，霍華德也把羅素作為他的研究對象。“我專門找了與他合作過的導演瞭解情況，他們普遍反映他是個不好對付的演員，”他說，“他見我第一面時就直截了當地說，‘我脾氣不好，但我不是個無理取鬧的混帳。我希望別人不只是把我當成一個會走動的道具，因為我也有我的想法。’我採納了他的意見，不管拍攝有多緊張，我都會停下來詢問他的看法。我營造出一種開放的氛圍，允許大家暢所欲言，這對羅素很管用，我們的合作也因此變得十分順暢。”
開拍前，羅素看了採訪納什的錄像，這對他理解人物幫助很大。他沒見過納什本人，但他把想知道的問題都寫下來，然後通過看別人採訪納什的錄像尋找答案。
看錄像時，羅素迷上了納什的那雙手，尤其是他那又尖又長的指甲。他甚至四處打聽如何能在短時間內讓指甲長到那樣的長度，在得不到任何回答的情況下，他只好讓化妝師為他安了一付假指甲。
多年來，羅素一直為他的這雙手感到苦惱，他認為他的手指長得缺乏魅力，至少與他國際影星的身份不般配。在接受《閒暇》雜誌女記者黛安·索耶採訪時，他不好意思伸手給對方看。“它們又粗又短，不夠精緻不說，還佈滿了小的疤痕，”他說，“昨天在飛機上我還自嘲地說，‘夥計，你沒有一雙屬於好萊塢的手。”
最讓羅素感到棘手的還是人物的古怪性格。在瘋狂和天才之間，他難以找到一個平衡點。母親曾經告訴他，他小時候就被認為有點瘋狂，經常胡言亂語，行為令人難以捉摸。他真的瘋狂嗎？這一點羅素自己最清楚不過，他之所以言行怪戾，是因為他內心燃燒著一種無名的怒火，他覺得自己的這種親身體驗可以嫁接到納什這個人物身上。
除了研究採訪納什的錄像，羅素還在紐約街頭注意觀察那些情緒不穩定的人。東92街上的一個男人給他留下了非常深的印象，這個人總是與他想象中的人滔滔不絕地說話。羅素與他以及從旁邊經過的人聊天，從中總結出了那些精神錯亂的人的表現以及周圍人對他們的反應。
影片選擇在羅素獲得奧斯卡獎的第二天開拍，這意味著他不得不推掉所有祝賀一類的應酬，而這恰恰是他求之不得的。他已經厭倦了無休止的雞尾酒會，期盼著早日投入工作。
到達紐約之後，他專程前往西弗吉尼亞的布魯菲爾德，這個小鎮是納什的出生地。他在鎮上漫無目的地散步，只為感受一番納什年輕時的生活環境。不幸的是，一場突如其來的大雪打亂了他的計劃，他日夜兼程地往回趕，擔心錯過第二天一早與導演羅恩·霍華德的會面。
當他出現在霍華德面前時，後者簡直驚呆了：這難道是期待中的約翰·納什嗎？只見他身穿髒兮兮的皮夾克，蓬頭垢面，還留著長長的鬍鬚。直到事後，霍華德仍心有餘悸地說：“當時我們已經做好了一切準備，可是羅素的這付模樣宛如給我們當頭潑了一盆冷水，而換人已經是來不及了。”
事實證明這完全是一場虛驚，當羅素最終站到攝影機前時，他讓在場的所有人都不得不信服：他就是約翰·納什。拍攝期間，最令羅素感到意外的是約翰·納什本人的不請自到。羅素向他作了自我介紹，並問了他一個簡單的問題：“你想喝茶還是咖啡？”納什為這個問題足足思考了15分鐘，最終回答說他無所謂茶還是咖啡，他只是想坐下來看一會兒拍戲。羅素和霍華德對納什的遲鈍深有感觸，他們決定把這一段寫進了劇本。
影片大部分是在新澤西拍攝的，外景地包括了貝爾維爾、普林斯頓和拜翁，另外一些場景則選擇在紐約的曼哈頓學院和福特哈姆大學。在普林斯頓大學拍戲時，羅素又一次讓人領教他的壞脾氣。他在校園裡散步時，無意中發現一名女學生正在從二樓窗戶裡探出身來對他拍照。他氣不打一處來，立刻豎起中指，回敬對方一個下流的手勢。
這下事情鬧大了。羅素的照片被登在了學生自辦的《普林斯頓日報》上，繼而又被全國性的報紙轉載。那名名叫梅瑞迪斯·莫洛妮的女學生氣憤地說：“我不是在大街上，我是在我的校園裡，而且我絲毫沒有幹……擾他工作。現在，我相信關於他的傳言說的沒錯——他是個渾蛋！”霍華德見勢不妙，馬上站出來為他的明星辯護，說他之所以會作出冒犯舉動，是因為他沉浸在他的角色中無法自拔，希望大家不要把他當成一個“壞蛋”。
霍華德的擔心不是沒有道理，因為這部戲的拍攝必須得到大學生們的支持，尤其是在需要他們充當群眾演員的時候。好在羅素自有他的辦法，在拍納什獲頒諾貝爾獎的那場戲時，他發現臺下觀眾無精打采、坐立不安，於是當鏡頭掃向他們時，他忽然從懷中掏出了他剛剛得到的奧斯卡金像，並且揮舞起來。這一招果然奏效，觀眾席頓時笑聲、掌聲一片，這正是這場戲想要的效果。
《美麗心靈》開始於約翰·納什在普林斯頓大學的求學經歷。儘管進入這所常春藤名校對於任何人來說都是一份至高無上的榮譽，但納什卻很難融入這裡的課堂氣氛。聽課時，他無精打采，思緒早已飛到了天邊雲外。
在這個集體裡，他找不到自己的位置，優雅的社會交際他根本不屑一顧，更別提與女人正常地交往。在與同屋查爾斯·赫爾曼的交談中，他承認自己不喜歡周圍的人，而同學們也把他當成了怪物。
實際上，他沉迷著的只是一件事：尋找一個真正有創意的理論。他深信這才是他應該追逐的理想。於是，他把大部分時間用於在圖書館的窗玻璃上寫寫畫畫，那都是一些別人無法看懂的計算公式。
導師警告他，由於他經常缺課而且找不出任何不交作業的理由，他很可能會有麻煩。然而，學期結束時他卻因為一篇極富創意的論文贏得了導師的讚揚。
5年後，已經畢業的他得到美國國防部最高統帥的召見。科學曾為美國在第二次世界大戰中的獲勝發揮了巨大的作用，如今冷戰盛行，納什渴望在這場新的衝突中發揮自己的優勢，他將協助情報人員破解敵人的密碼。在從事這份工作時，他注意到有一個神秘的男人在遠處注視著他。
納什同時也在麻省理工學院進行研究和教學，這是一份眾人覬覦的工作，但他卻心猿意馬，直到有一天他遇到了艾麗西婭，這個美麗的物理系學生引起了他的注意。
那個名叫威廉·帕切爾神秘男子再度出現了，他把納什帶進了校園內的一個軍事禁區，那裡的人正在從事一些特殊的工作。帕切爾讓納什看了一段影片，並告訴他影片裡的那些德國廠房是納粹製造原子彈的工廠，二戰結束後，這些工廠落入了俄國人手中。帕切爾要求納什協助政府破解隱藏在雜誌和報紙裡的敵人用來傳遞情報的密碼。
當納什開始向艾麗西婭求婚之際，他發現自己每到一處都會被人監視。隨著時間推移，他終於發現那些密碼代表著敵人核試驗工廠的方位。他寫好的報告，將它們裝在信封裡，然後像間諜一樣投進一幢大房子外的信箱裡。
不久，納什和艾麗西婭結婚了，但是他不能告訴她他正在為帕切爾所從事的危險工作。這項工作稍有不慎洩密，後果將不堪設想。納什只能偷偷為之，他被這項工作深深地迷住了，並最終迷失在這些無法抵禦的錯覺中。經診斷，他得的是妄想型精神分裂症。
納什的遭遇令艾麗西婭驚恐萬分，但她仍然在她愛著的男人身上發現了他的超凡魅力，這也是支撐她對他承諾的動力所在。被艾麗西婭堅貞不渝的愛情和忠誠所感動，納什也有了繼續生活下去的信心。處在病魔的重壓之下，他仍然被那令人興奮的數學理論所驅使著，一如既往地繼續進行著他的研究。
1994年，納什終因在博奕論方面頗具前瞻性的研究著述而獲得了諾貝爾經濟學獎，他以堅韌的毅力不僅證明了他有一個天才的頭腦，而且具有一個美麗的心靈。
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