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...