En juin 1961, en pleine Guerre froide, dans les eaux de l'Atlantique nord, Alexei Vostrikov, le capitaine du premier sous-marin nucléaire de l'arsenal soviétique, le K-19, découvre que le système de refroidissement du réacteur principal est défaillant. A son bord, des ogives et un moteur à propulsion atomique menacent d'exploser si la température au coeur du réacteur ne baisse pas rapidement ....