26 kwietnia 1986 roku Czarnobyl. Z nieznanych przyczyn w elektrowni atomowej dochodzi do wybuchu i pożaru. Zdezorientowani pracownicy nie wiedzą co się dzieje, wybucha panika. Zastępca naczelnego inżyniera Anatolij Diatłow (Paul Ritter) bagatelizuje sprawę, mimo iż liczniki Geigera, w budynku reaktora, wskazują poziom promieniowania poza skalą. Informuje dyrektora elektrowni Wiktora Briuchanowa (Con O'Neill), że to tylko samozapłon nagromadzonego w zbiorniku awaryjnym wodoru. W tym czasie okoliczni mieszkańcy, obudzeni wybuchem ,wychodzą ze swoich domów i z zainteresowaniem obserwują kolorową łunę unoszącą się nad płonącą elektrownią, nie zdając sobie sprawy, że cała okolica powoli pokrywa się radioaktywną chmurą...

W białoruskim Instytucie Energii Jądrowej w Mińsku, włącza się alarm, sygnalizujący skażenie radioaktywne. Dane wskazują, że jest to pochodna uranu 235, używanego jako paliwo atomowe. Pracownica instytutu Uliana Chomiuk (Emily Watson) próbuje telefonicznie skontaktować się z oddaloną o 400 kilometrów elektrownią jądrową w Czarnobylu, bez skutku. W tym czasie na Kremlu prof. Legasof (Jared Harris) próbuje przekonać Sekretarza Generalnego Komunistycznej Partii Związku Radzieckiego Michaiła Gorbaczowa (David Dencik), że w elektrowni doszło do wybuchu reaktora, i odsłonięcia rdzenia radioaktywnego.

Na polecenie ministra górnictwa (Michael Colgan) z Tuły do Czarnobyla zostaje ściągnięta załoga kopalni. Zadaniem górników jest wydrążenie tunelu pod uszkodzonym reaktorem, gdzie zostaną zainstalowane wymienniki ciepła. Operacja ma zapobiec stopieniu się radioaktywnego rdzenia, co mogłoby doprowadzić do skażenia wód gruntowych.

Wokół Czarnobyla powstaje strefa wykluczenia, ludność cywilna zostaje przymusowo ewakuowana. Na terenie zniszczonej elektrowni, chemik powołany do zbadania przyczyn awarii Valery Legasov (Jared Harris), wraz z wicepremierem Borisem Szczerbiną (Stellan Skarsgård) próbują znaleźć sposób na usunięcie z dachów budynków silnie napromieniowanych resztek grafitu, którym osłonięty był rdzeń reaktora. Tymczasem w strefie pracują tysiące żołnierzy i cywilni ochotnicy, wycinają drzewa, zrywają górną warstwę ziemi i zabijają wszystkie zwierzęta domowe, które zostały napromieniowane. Ponad osiemset kilometrów od Czarnobyla, w Moskwie Ulana Khomyuk (Emily Watson) próbuje wyjaśnić przyczynę tajemniczego wybuchu reaktora, pojawia się szpitalu gdzie przebywa Anatolij Diatłow (Paul Ritter) zastępca naczelnego inżyniera w elektrowni jądrowej w Czarnobylu, który był na miejscu podczas awarii...

Czarnobyl, lipiec 1987 roku. Rusza proces w sprawie spowodowania katastrofy jądrowej w elektrowni atomowej. Oskarżonym są, Wiktor Briuchanow (Con O'Neill) dyrektor elektrowni, Anatolij Diatłow (Paul Ritter) zastępca głównego inżyniera i Nikołaj Fomin (Adrian Rawlins) naczelny inżynier. W charakterze świadków zostają powołani, pracownica Białoruskiego Instytutu Jądrowego Uliana Chomiuk (Emily Watson), wiceminister Boris Szczerbina (Stellan Skarsgård), oraz naukowiec Valery Legasov (Jared Harris). W trakcie rozprawy na jaw wychodzą nieznane dotąd fakty świadczące o braku kompetencji i rażących zaniedbaniach, do jakich doszło podczas przeprowadzania testów bezpieczeństwa reaktora atomowego w dniu 26 kwietnia 1986.