1986年4月26日淩晨，位於烏克蘭蘇維埃社會主義共和國普裏皮亞季的切爾諾貝利核電站發生了嚴重的爆炸事故。瓦列裏·列加索夫（傑瑞德·哈裏斯飾），作為壹個傑出的蘇聯核物理學家，成為了處理這場事故的應急小組的壹員，同時也成為最先了解並著手組織處理這場事故的負責人之壹。

蘇聯部長會議副主席﹑蘇聯能源局領導鮑裏斯·謝爾比納（斯特蘭·斯卡斯加德飾）在事故發生數小時後被指派領導事故調查委員會，但當時政府還沒意識到反應堆已經爆炸。作為這史無前例人為災難的高級應對官員，他發現自己身陷政治體系問題，以及得面對這場核災難不停攀升的傷亡人數。

蘇聯核物理學家烏拉娜·霍繆克（艾米麗·沃森飾）致力於調查切爾諾貝利事故的真相，好讓未來不會再發生同類事件。但在調查期間她與想埋葬可怕秘密的人產生了未曾預料的沖突，為了真相她得冒著失去自由，甚至生命的危險。