1986年4月26日凌晨，乌克兰苏维埃社会主义共和国普里皮亚季的切尔诺贝利核电站发生严重爆炸事故。杰出的苏联核物理学家瓦列里·列加索夫（杰瑞德·哈里斯 饰）成为处理该事故应急小组的一员，也是最先了解并组织处理这场事故的负责人之一。事故发生数小时后，苏联部长会议副主席、苏联能源局领导鲍里斯·谢尔比纳（斯特兰·斯卡斯加德 饰）被指派领导事故调查委员会，彼时政府尚未意识到反应堆已爆炸。作为这场史无前例人为灾难的高级应对官员，他陷入政治体系问题之中，还得面对核灾难不断攀升的伤亡人数。苏联核物理学家乌拉娜·霍缪克（艾米丽·沃森 饰）一心调查切尔诺贝利事故真相，以避免未来发生同类事件。但在调查过程中，她与试图掩盖可怕秘密的人产生了意想不到的冲突，为了真相，她不惜冒着失去自由甚至生命的危险。