Junio de 1961. En plena Guerra Fría, en las aguas del Atlántico Norte, Alexei Vostrikov, el capitán del K-19, el primer submarino nuclear del arsenal soviético, descubre que el sistema de refrigeración del reactor principal está fallando. A bordo, las ojivas y un motor a propulsión atómico amenazan con explotar si la temperatura del núcleo del reactor no baja rápidamente. Aislados del mundo exterior y del resto de la flota rusa a causa de una avería en la radio, el capitán Vostrikov y su segundo de a bordo, Mikhail Polenin, deben superar sus diferencias para hacer frente a la crisis y evitar un accidente nuclear. Por si fuera poco, si se produjera una explosión, los Estados Unidos podrían tomarlo por un ataque soviético y desencadenar una guerra total.