1986年4月26日凌晨1点23分，乌克兰普里皮亚季的切尔诺贝利核电站发生爆炸。消防员瓦西利·伊格纳坚科（亚当·那加提斯 饰）是第一批赶赴现场的应急消防员，他的妻子柳德米拉在远处目睹了这场灾难。核电站副总工程师阿纳托利·佳特洛夫（保罗·里特 饰）试图弄清爆炸原因，却未能意识到反应堆堆芯已经炸开。
苏联核物理学家瓦列里·列加索夫（杰瑞德·哈里斯 饰）被紧急召入事故处理委员会，他在高层会议上激动地陈述真相——辐射读数远不止官方公布的3.6伦琴，堆芯已暴露，若不采取正确措施将造成惨重伤亡。他被命令与部长会议副主席鲍里斯·谢尔比纳（斯特兰·斯卡斯加德 饰）一同前往现场核查。
白俄罗斯核物理学家乌拉娜·霍缪克（艾米丽·沃森 饰）也发现官方数据与事实严重不符，她奔走警告政府发放碘片却屡屡受阻。当谢尔比纳亲眼看到堆芯上方高达15000伦琴的辐射读数时，他不得不接受现实。
为阻止堆芯熔毁引发第二次爆炸，必须抽干地下室中被重度污染的水。三名工人安纳楠科、拜兹帕罗夫和巴拉诺夫自告奋勇执行这项可能导致死亡的任务。谢尔比纳和列加索夫在绝望中寻求解决方案，而辐射正以肉眼可见的速度吞噬着救援人员的生命。
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