Im ukrainischen Tschernobyl sind Reaktoren in einem Kernkraftwerk explodiert. Valery Legasov (Jared Harris), ein Chemiker des Kremls, soll das Unglück unter die Lupe nehmen und erkennt in kurzer Zeit die verheerenden Ausmaße der Katastrophe. Die Regierung ist allerdings bestrebt die Zerstörung unter den Tisch zu kehren. Ulana Khomyuk (Emily Watson) untersucht die technischen Umstände, die zum GAU geführt haben. Plötzlich ist ihr eigenes Leben in unmittelbarer Gefahr.