Sexuell frustration och självdestruktivitet förenar halvbröderna Michael och Bruno som båda präglats av relationen till sin frånvarande och frigjorda hippiemamma. Den inåtvände och vetenskapligt briljante Michael säger upp sig från ett prestigefyllt jobb för att återuppta sin genforskning men klarar inte av känslomässiga eller fysiska relationer. Ett möte med ungdomskärleken Annabelle knuffar honom dock tillbaka till människornas sfär. Litteraturläraren Bruno brottas med hämningslösa sexuella fantasier som han försöker omsätta i verkligheten samtidigt som han skriver raspolitiska pamfletter.
Elementarpartiklarna är en skarp betraktelse med komiska undertoner över vår samtid, om två halvbröder där den ene kämpar för att tillfredställa sin begär och den andra för att utrota dem.
Filmen bygger på författaren Michel Houellebecqs kontroversiella genombrottsroman och tävlade om Guldbjörnen vid Berlins filmfestival 2006, där Moritz Bleibtreu också vann pris för bästa manliga huvudroll.