Als es 1986 im Kernkraftwerk des ukrainischen Tschernobyl zu verheerenden Explosionen kommt, wird der sowjetische Chemiker Valery Legasov (Jared Harris) vom Politiker Boris Shcherbina (Stellan Skarsgård) damit betraut, den Vorfall im Auftrag der Regierung genauer zu untersuchen. Bei seinen Nachforschungen erkennt er schnell, welche weitreichenden Auswirkungen die Katastrophe hat und womöglich noch haben wird. Während unzählige Einsatzkräfte und freiwillige Helfer alles daran setzen, die Folgen des Unglücks so gut wie möglich einzudämmen, und dabei angesichts der todbringenden freigesetzten Strahlung sogar ihr Leben riskieren, versucht die Regierung, die Angelegenheit herunterzuspielen und unter den Tisch zu kehren. Doch lassen sich diejenigen, die die Wahrheit ans Licht bringen wollen, davon nicht unterkriegen...