1961: Mitten im Kalten Krieg lässt Russland das neue Atom-U-Boot "K-19" zu Wasser, um zur nuklearen Abschreckung im arktischen Eis den Abschuss einer Rakete zu testen und damit den USA die militärische Stärke Russlands zu demonstrieren. Noch vor der Abreise bemerkt die Besatzung, dass das U-Boot mehrere Mängel aufweist. Doch nicht nur das sorgt für Spannungen in der jungen Mannschaft. Hinzu kommt, dass Kapitän Polenin aufgrund einer misslungenen Übung degradiert und durch seinen Nachfolger Vostrikov ersetzt wird. Der ist mit seiner autoritären und ehrgeizigen Art bei der Mannschaft unbeliebt. So sorgen die persönlichen Konflikte zwischen Vostrikov und Polenin zusätzlich für eine angespannte Atmosphäre. Erst als die Besatzung den Befehl erhält, die Atomrakete zu testen, und der Test erfolgreich verläuft, bekommt Kapitän Vostrikov Anerkennung von den Matrosen. Doch schon bald darauf droht die Situation erneut zu kippen: Das Kühlsystem des Kernreaktors hat ein Leck. Wenn es nicht sofort repariert wird, brennt der Reaktor durch. Bei der Reparatur werden die Männer verstrahlt. Die Mannschaft befürchtet eine nukleare Katastrophe — und auch das zu Hilfe gekommene US-amerikanische Schiff würde bei einer Kernexplosion zerstört, was den Ausbruch des Dritten Weltkriegs bedeuten würde. Der Film beruht auf einer wahren Begebenheit, dem lange geheim gehaltenen Vorfall auf dem sowjetischen Atom-U-Boot "K-19", und versucht die politischen Systeme in Ost und West kritisch zu hinterfragen.