Die Filmemacherin und Reporterin Myriam Rosenfeld (Anouk Aimée) aus New York nimmt in Paris an einem Treffen von KZ-Überlebenden teil, wo sie Freunde und Leidensgenossen trifft. Bei einer Verlosung gewinnt Myriam den ersten Preis, ein Fahrrad und ein Flugticket nach Krakau, und sie beschließt, sich ihrer Vergangenheit zu stellen. Als Myriam das KZ betritt, sind all die verdrängten Erinnerungen wieder da. Ihr Vater, mit dem die damals 14-jährige ins Lager kam, kehrte nie zurück. Zwei Jahre verbrachte Myriam dort, sie findet die Baracke und selbst die Koje wieder, in der sie schlief.

Am frühen Morgen setzt Myriam ihre Erkundung Birkenaus fort. Sie trifft einen jungen deutschen Fotografen namens Oskar (August Diehl), dessen Großvater als Mitglied der SS-Wachmannschaft teil des unmenschlichen Lagerystems war. Oskar will \"das Unsichtbare zeigen\" das sich in den Ruinen des KZ verbirgt und bittet Myriam, ihm dabei zu helfen, die Spuren zu entschlüsseln und seinen Blick zu schärfen. Nach einigem Zögern willigt sie schließlich ein und gemeinsam durchstreifen die beiden nun das KZ — sie zeigt ihm die Baracken, die Gaskammern und die Verbrennungsöfen.
Schließlich kommen sie an einen der schrecklichsten Orte des Lagers: die Ruinen der Krematorien 4 und 5, wo im Sommer 1944 Hunderttausende Juden und Zigeuner nach ihrer Ermordung in den Gaskammern verbrannt wurden.

Dort erzählt Myriam Oskar von jenem Geheimnis, das ihr seit all den Jahren keine Ruhe lässt: Sie soll an der Aushebung von Gruben beteiligt gewesen sein, in denen die Leichen verbrannt wurden, als die Öfen nicht ausreichten. Myriam selbst hat zwar keinerlei Erinnerung daran, doch was ist, wenn es stimmt?

Marceline Loridan-Ivens ist eine verstörende und schonungslose Konfrontation mit dem Schrecken und mit der eigenen Vergangenheit gelungen. Es ist der Film einer Überlebenden, die den Mut hat zu sprechen, „bevor mit dem Verschwinden des letzten Überlebenden die Konzentrationslager endgültig in den Bereich der Historie eintauchen — oder in die Nebel des Vergessens“, so die Filmemacherin. Insofern ist „Birkenau und Rosenfeld“ kein Spielfilm, der mit normalen Maßstäben gemessen werden kann, sondern ein außergewöhnliches Dokument gegen das Vergessen.