Фильм основан на реальных событиях. Действие происходит в разгар печально известной «холодной войны». СССР конструирует новую подводную лодку, которая будет оснащена не только ядерным вооружением, но бортовым атомным реактором. Алексей Востриков – фанат своего дела, назначен командиром судна. Он настолько предан службе, что заставляет всех своих подчиненных работать сверхурочно, при этом, в достаточно экстремальных условиях.
Первоначальное испытание должна пройти баллистическая ракета. После того, как пуск ракеты был совершен, К-19 продолжила ход. Однако, произошла поломка в системе охлаждения реактора, и температура активной зоны начала сильно подниматься. Если аварию не устранить, то вскоре температура ядерного топлива достигнет градуса плавления, и произойдет взрыв. Офицеры К-19 собирают экстренное совещание, и решают запустить резервный водопровод, по которому пойдет холодная вода и приведет температуру в норму. Несколько человек разбиваются на пары и проводят ремонтные работы.
В следующий момент, начинает утечка радиации, которая распространяется на все отсеки. Одновременно с этим повредилась антенна, и связь с землей становится невозможной. Внезапно, рядом с К-19 проходит американский корабль и предлагает помощь, но Востриков от нее отказывается. На корабле начинает мятеж, замполит хочет отстранить Вострикова, но вскоре мятеж был подавлен.
В это время, недавно налаженная система охлаждения дала течь, и температура вокруг реактора резко начала расти. Инженер Радченко отправился в этот отсек, чтобы исправить неполадку, и ему это удалось. Однако, сам он мгновенно потерял зрение. Востриков принимает ключевое решение: эвакуировать команду на американский корабль, а К-19 утопить.
После всех событий, Востриков попал под трибунал, но был оправдан, однако, пожизненно отстранен от командования. После этих событий, от сильнейшего облучения умерло 27 членов экипажа К-19.
