1986年4月26日凌晨，位于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了严重的爆炸事故。瓦列里·列加索夫（杰瑞德·哈里斯饰），作为一个杰出的苏联核物理学家，成为了处理这场事故的应急小组的一员，同时也成为最先了解并着手组织处理这场事故的负责人之一。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）在事故发生数小时后被指派领导事故调查委员会，但当时政府还没意识到反应堆已经爆炸。作为这史无前例人为灾难的高级应对官员，他发现自己身陷政治体系问题，以及得面对这场核灾难不停攀升的伤亡人数。苏联核物理学家乌拉娜·霍缪克（艾米丽·沃森饰）致力于调查切尔诺贝利事故的真相，好让未来不会再发生同类事件。但在调查期间她与想埋葬可怕秘密的人产生了未曾预料的冲突，为了真相她得冒着失去自由，甚至生命的危险。