En pleine Guerre froide. Le capitaine Polenin est rétrogradé pour avoir couvert une erreur de ses hommes. Il est placé sous les ordres du très rigide capitaine Vostrikov, qui prend la tête du premier sous-marin nucléaire de l'arsenal soviétique, le K-19. Dès les premiers contacts, les deux hommes s'opposent. Polenin pense que le sous-marin n'est pas encore suffisamment sécurisé, puis il s'élève contre le renvoi de l'officier du réacteur, trouvé ivre et remplacé par un novice. Cependant, la mission s'engage. Les exercices très durs se multiplient et la tension monte, jusqu'à la catastrophe : l'un des réacteurs se met à surchauffer, la liaison avec la base est coupée, et le sous-marin navigue trop près des côtes américaines..