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.