De junio de 1961. Durante la Guerra Fría en las aguas del Atlántico Norte, Alexei Vostrikov, el capitán de la K-19, el primer submarino nuclear del arsenal soviético, descubre que el sistema de refrigeración del reactor principal está fallando. A bordo, ojivas y motor de propulsión atómica amenazan con explotar si la temperatura del núcleo del reactor no es rápido baja. Aislados del mundo exterior y el resto de la flota rusa debido a un fallo 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. Como si eso no fuera suficiente, si se produce una explosión, los Estados Unidos podrían tomar para un ataque soviético y desencadenar una guerra total.