Ночью 26 апреля 1988 года Валерий Легасов в Москве надиктовывает на магнитофон запись, утверждая, что признанный виновным в аварии на Чернобыльской АЭС и получивший за это десять лет тюрьмы заместитель главного инженера станции Анатолий Дятлов заслуживает смерти. Спрятав кассеты в вентиляцию рядом со своим домом, Легасов возвращается в квартиру и совершает самоубийство.

Двумя годами ранее в Припяти пожарный Василий Игнатенко и его жена Людмила становятся свидетелями взрыва на Чернобыльской АЭС. Василий готовится принять участие в тушении пожара и уверяет Людмилу, что скоро вернётся домой. В диспетчерской на электростанции Дятлов, Акимов, Топтунов и другие сотрудники АЭС приходят в себя после взрыва, прогремевшего во время испытания турбин. Перепуганный Перевозченко сообщает коллегам, что взорвался реактор, и активная зона разрушена. Однако Дятлов убеждён, что ядро реактора РБМК не может взорваться, и пострадал лишь бак системы управления и защиты (СУЗ). Когда пожарные бригады прибывают на электростанцию, Василий становится свидетелем того, как его коллега поднимает с земли кусок графита и позже видит, что тот получил сильные радиационные ожоги ладони от ионизирующего излучения. Кудрявцев и Проскуряков в сопровождении Ювченко добираются до турбинного зала и понимают, что активная зона горит открытым пламенем.

Виктор Брюханов и Николай Фомин выслушивают доклад Дятлова о текущей ситуации и на совещании заверяют членов Припятского горисполкома, что ситуация находится под полным контролем. После собрания к Брюханову, Фомину и Дятлову приходит Ситников и сообщает, что уровень радиации зашкаливает, и, скорее всего, реактор взорвался. Дятлова сражает приступ острой лучевой болезни, и Фомин посылает Ситникова на крышу здания, прилегающего к месту взрыва. Ситников видит, что четвёртый энергоблок АЭС полностью уничтожен, и получает смертельную дозу радиации.

Через семь часов после инцидента учёная из Института ядерной энергетики АН Белорусской ССР Ульяна Хомюк и её помощник фиксируют повышение уровня радиации в Минске (Беларусь) и быстро приходят к выводу, что инцидент произошёл на Игналинской или Чернобыльской АЭС. Игналинская станция подтверждает, что работает в штатном режиме, но Ульяне не удаётся связаться с сотрудниками Чернобыля. Ульяна докладывает о радиационной опасности в городской комитет КПСС, но заместитель председателя Гаранин отказывается к ней прислушиваться, и тогда учёная самостоятельно отправляется в Припять. Тем временем Людмиле удаётся прорваться через милицейское оцепление в больницу Припяти и узнать о том, что Василий вместе с другими пациентами с острой лучевой болезнью эвакуирован в Москву.

В Москве Легасов объясняет Горбачёву и скептику Щербине, что ситуация гораздо серьёзнее, чем рапортует Припятский горисполком, и Горбачёв отправляет Щербину и Легасова в Припять для выяснения обстоятельств случившегося. Во время полёта вертолёта над АЭС Легасов указывает на обломки графита на крыше и голубое ионизирующее свечение, убеждая Щербину в том, что ядро реактора ​​действительно обнажёно. Щербина выслушивает директора ЧАЭС Брюханова и главного инженера ЧАЭС Фомина, которые обвиняют Легасова в дезинформации. Чтобы подтвердить одну из точек зрения, генерал Пикалов, используя дозиметр с расширенным диапазоном измерения, подъезжает на грузовике вплотную к ЧАЭС, и доказывает, что уровень излучения крайне высок. По приказу Щербины, Брюханов и Фомин взяты под арест. Легасов инструктирует военных тушить огонь песком и бором, но задача оказывается очень рискованной. После того, как Щербине сообщают, что международное сообщество узнало об этом инциденте, начата немедленная эвакуация населения Припяти.

Ананенко, Беспалов и Баранов успешно выполняют миссию, и баки-барботёры удаётся осушить. Однако после разведки на местности Пикалов предупреждает о том, что началось расплавление активной зоны. Щербина и Легасов объясняют Горбачёву, что вскоре ядерное топливо просочится сквозь бетонную подушку и загрязнит грунтовые воды. Они предлагают установить под АЭС охладитель на жидком азоте, чтобы снизить температуру и помешать расплавлению. Во время прогулки Щербина и Легасов видят, что за ними по пятам следуют сотрудники КГБ. Министр угольной промышленности Михаил Щадов обращается за помощью к тульским шахтёрам во главе с начальником смены Глуховым. Легасов объясняет Глухову задачу — необходимо вручную прорыть тоннель и выкопать котлован для установки охладителя. Шахтёры начинают работать в крайне неблагоприятных условиях.

Легасов отправляет Хомюк в московскую больницу, чтобы поговорить с Дятловым, Акимовым и Топтуновым о том, что именно произошло в ту роковую ночь 26 апреля. Дятлов отказывается сотрудничать с Хомюк, но ей удаётся узнать от умирающих Топтунова и Акимова, что взрыв раздался после того, как Акимов нажал кнопку аварийного отключения. Хомюк считает такой вариант невозможным. В той же больнице медсестра соглашается на полчаса пустить Людмилу к Василию, но запрещает к нему прикасаться. Людмила не подчиняется приказам медсестры и остаётся в больнице, становясь свидетельницей стремительного ухудшения здоровья мужа. Хомюк замечает Людмилу у кровати Василия и догадывается, что она беременна. Хомюк угрожает поднять шумиху, но её арестовывают сотрудники КГБ. Легасов добивается её освобождения, пообещав заместителю председателя КГБ Шаркову взять на себя ответственность за действия Хомюк.

В деревне, находящейся в зоне отчуждения, пожилая женщина, которая доит корову, отказывается эвакуироваться, говоря, что она не уехала во время революции, голодомора или немецкого вторжения. Однако солдат заставляет её уйти, убивая корову.

Щербина, Легасов и генерал Николай Тараканов наблюдают за тем, как приступает к работе «луноход», очищающий крышу от радиоактивных фрагментов перед началом строительства саркофага. На участке с максимальным радиационным фоном решено использовать полицейского робота из Западной Германии, но он мгновенно выходит из строя, так как советское правительство намерено предоставило немецким коллегам заниженные данные об уровне радиации. Тараканов вынужден отправить своих людей на крышу, чтобы очистить её от графита вручную.

Гражданский призывник Павел в паре с ветераном афганской войны Бачо патрулирует зону отчуждения, отстреливая брошенных животных, подвергшихся радиоактивному загрязнению. Обнаружив собаку с щенками в одном из домов, Бачо отправляет Павла на улицу и сам убивает их.

Академика Легасова в Москве останавливает сотрудник КГБ и сопровождает до машины, где ему сообщают, что он должен выступить на суде в качестве свидетеля. В том случае, если Легасов поддержит обвинение и расскажет всё то же, что говорил перед МАГАТЭ, то ему обещают присвоить Героя СССР и назначить директором Курчатовского института. Немногим позднее к Легасову домой приезжает Хомюк и убеждает рассказать правду о том, что РБМК в сегодняшнем исполнении несут угрозу.

Дятлов, Брюханов и Фомин предстали перед судом в заброшенном городе Чернобыль. Щербина вызван первым дать показания, объясняющие общие принципы работы атомной электростанции. Хомюк и Легасов дают показания о событиях, приведших к аварии, на основе интервью с людьми в диспетчерской.

Самочувствие Щербины ухудшается прямо во время заседания. Закашлявшись он выходит из зала, а судья объявляет перерыв. Легасов выходит вслед за Щербиной, который рассказывает ему о том, что жалок и не сделал ничего в этой трагедии. Академик ободряет его, говоря, что именно благодаря его работе удалось мобилизовать средства и людей для ликвидации последствий аварии.

Воспоминания показывают, что из-за десятичасовой задержки испытаний на безопасность и нетерпения Дятлова провести их как можно скорее, реактор полностью остановился, а затем испытал скачок мощности. Акимов активировал аварийное отключение с помощью кнопки АЗ-5, но конструктивный недостаток в стержнях управления поднял мощность до десятикратного предела реактора, прежде чем он взорвался. Легасов рассказывает об этом на заседании и раскрывает секретную информацию об инциденте на Ленинградской АЭС, что противоречит его показаниям МАГАТЭ в Вене.