1988年4月26日，瓦列里·列加索夫在自家餐廳錄下他所知道關於車諾比事故的一切真相，並在錄音中怒斥『阿納托利·佳特洛夫因為管理不善坐牢是判決不公，蘇聯政府將他的貢獻抹殺』。錄完後他注意到蘇聯的特務在對面的車上監視著他，為了避免意外，他利用倒垃圾為掩護，先是將錄音帶整理好並包成包裹，用其倒垃圾的時間，將這些錄音帶藏在自家旁邊暗巷的通風口深處並處理好垃圾，回到家後他先是餵好了貓，抽了跟煙並整理好自身儀容後，最後於1點23分45秒上吊自殺。

整整兩年前的1986年4月26日凌晨1點23分，烏克蘭普里比亞特消防員瓦西利·伊格納堅科的妻子柳德米拉目睹不遠處的車諾比核電站發生爆炸。核電站副總工程師佳特洛夫和輪班總管阿基莫夫試圖了解爆炸原因，同時報火警通知當地消防隊前來控制屋頂上的火勢。

佳特洛夫並未意識到堆芯已經暴露在外，而且工程師已經無法手動關閉反應爐，他把儀器的上限3.6倫琴當作即時輻射量上報核電站廠長布留哈諾夫。當地執行委員會決定封鎖消息，將事故報告層層上報莫斯科中央政府。瓦西利抵達現場後，看見自己的隊友撿起石墨碎塊，卻因巨量輻射燒傷手掌。核電站總工程師佛明等人仍舊認為RBMK反應爐不可能爆炸，並指示報告實情的西特尼科夫前去屋頂視察4號反應爐實際情況，這使他受到致命輻射傷害。

戈巴契夫下令組建事故處理委員會，部長會議副主席鮑利斯·謝爾比納指示庫爾恰托夫研究所副所長列加索夫列席相關的會議。

爆炸發生7小時後，不遠處白俄羅斯核能研究所的核物理學家烏拉娜·霍繆克意外探知車諾比發生核事故，前去警告相關領導要求撤離市民無果。列加索夫參在會上反對謝爾比納所謂情況已經得到控制的結論，戈巴契夫指派他們一同前往車諾比了解具體情況。布留哈諾夫和佛明試圖推卸責任，謝爾比納一時無法分辨他們和持反對意見的列加索夫誰對誰錯，化學反應部隊司令主動請纓深入事故現場檢測輻射量，最後測得高達1萬5千倫琴輻射量。列加索夫建議使用鉛、硼和沙等材料掩埋堆芯控制局面，謝爾比納當即下令救援部隊向暴露的4號反應爐不間斷地空投鉛、硼、沙。

普里比亞特當地醫生起初將傷員當作一般燒傷病患處理，在一位女醫生的提醒下才開始剝除傷員衣物，而堆棄衣物的醫護人員也都因其中的輻射而出現輕微的灼傷症狀。消防員瓦西利的妻子柳德米拉在醫院得知丈夫正被轉移至莫斯科後旋即趕去探訪。

列加索夫再三建議之下，謝爾比納下令撤離所有普里比亞特居民。他被列加索夫告知自己活不了幾年後與其外出散步，指出跟蹤監視的克格勃人員。霍繆克此時趕到車諾比現場，警告列加索夫4號反應爐因其地下蓄水池滿載而將會在48小時後發生殃及歐陸的二次爆炸。

普里比亞特居民柳德米拉·伊格納堅科懷揣特別許可來到莫斯科第六醫院，不顧勸阻和警告一心想見自己的消防員丈夫瓦西利。列加索夫匯報事故控制緩解進展，並列出耗人耗力的去污洗消工作方案。

4號反應爐屋頂上的輻射量嚴重，為清理殘留的石墨碎塊，列加索夫和謝爾比納決定調用月球車。反應爐殘骸內層輻射過於嚴重，蘇聯政府不得不向西德政府借用一台抗輻射警用機械車。然而這台名為Joker的機械車僅僅在調試階段就因輻射過強燒壞電路下線，謝爾比納隨後意識到蘇聯政府並未告知西德方面事故現場實際輻射量。遠在莫斯科的霍繆克試圖查清事故成因，她申請查閱的檔案卻被抹去大部分內容，而她所採訪的佳特洛夫則認為她永遠不可能查清事故真相。

停車場工人帕沃到車諾比報到參與善後工作，他加入的團隊負責射殺輻射區內所有動物，並將它們的屍體用水泥集中填埋。從未摸過槍的他慢慢適應了這項殘酷的任務，然而最後面對一窩躲在房中的幼狗時，卻依然無法扣下扳機。

列加索夫、謝爾比納和霍繆克三人不顧安危和聲譽，試圖在佳特洛夫庭審現場向受邀到場的核物理學家、核工程專家揭露事故真相——除了廠長布留哈諾夫和副總工程師佳特洛夫幾位的重大人為過失，車諾比核電站自身設計也存在著極其微小卻致命的安全隱患——與此同時，蘇聯全境共有16座存在相同安全隱患的RBMK反應爐仍在悄無聲息地繼續運轉。