Am 26. April 1986 explodiert Reaktor 4 des Kernkraftwerks Tschernobyl. Als einer der ersten vor Ort erfasst der sowjetische Atomphysiker Valery Legasov (Jared Harris) das ganze Ausmaß der Katastrophe. Im Auftrag des Kremls soll der stellvertretende sowjetische Premierminister Boris Shcherbina (Stellan Skarsgård) die Regierungskommission für Chernobyl leiten, während die Atomphysikerin Ulana Khomyuk (Emily Watson) herauszufinden versucht, was zur Katastrophe führte.