В 1961 году Советский Союз готовит к первому походу новую атомную подводную лодку К-19. Работы ещё не закончены, во время испытаний возникают неисправности, но командование торопится вывести субмарину в море. Капитаном К-19 назначают Алексея Вострикова. Он сменяет Михаила Поленина, который хорошо знает лодку и остаётся на борту в должности старшего офицера. Между двумя командирами сразу возникают разногласия. Поленин привык доверять экипажу и старается учитывать состояние людей. Востриков требует строгого выполнения приказов и считает, что моряки должны быть готовы действовать в любых условиях. Перед экипажем ставят важную задачу. К-19 должна выйти в Северную Атлантику и провести запуск баллистической ракеты. Поход становится демонстрацией того, что Советский Союз располагает новой атомной подводной лодкой, способной нести ядерное оружие. Несмотря на технические проблемы, К-19 выходит в море. Востриков проводит тяжёлые учения и проверяет экипаж в ситуациях, максимально приближенных к аварийным. Его методы вызывают недовольство моряков и усиливают напряжение между ним и Полениным. После выполнения основной задачи лодка продолжает поход. Именно тогда происходит настоящая авария. В системе охлаждения ядерного реактора возникает утечка. Температура начинает быстро повышаться. Если реактор не удастся охладить, последствия могут оказаться катастрофическими не только для экипажа. На К-19 нет предусмотренной для такой ситуации резервной системы. Морякам приходится создавать её прямо на борту из имеющихся труб и оборудования. Для ремонта необходимо войти в реакторный отсек. Люди, отправляющиеся туда, понимают, что получат огромную дозу радиации. Но без их работы реактор продолжит нагреваться. Один за другим члены экипажа заходят в заражённый отсек, чтобы восстановить охлаждение. Теперь прежние конфликты между Востриковым и Полениным отходят на второй план. Обоим приходится принимать решения, от которых зависит жизнь всей команды. Состояние моряков ухудшается, радиация распространяется по лодке, а повреждённый реактор остаётся постоянной угрозой. К-19 оказывается далеко от советских баз. Рядом появляются американские корабли, способные оказать помощь, но обращение к ним может раскрыть секреты советской атомной субмарины. Экипаж, который отправлялся выполнять военное задание, оказывается перед другой задачей. Теперь морякам необходимо удержать повреждённую К-19 под контролем и не допустить катастрофы, даже если для этого кому-то из них придётся войти в реакторный отсек, зная, чем закончится такой шаг.