Alors que la guerre froide entre les États-Unis et l'U.R.S.S. est à son paroxysme, les Russes font toujours des pieds et des mains pour obtenir leur premier sous-marin nucléaire opérationnel. La construction de ce petit bijou n'avance guère, ce qui ne plaît pas aux dirigeants russes. Ils en ont besoin rapidement pour montrer leur supériorité aux Américains.

Le capitaine responsable du projet, Mikhail Polenin, est donc relevé de ses fonctions et remplacé par le capitaine Alexi Vostrikov. Lorsqu'il arrive sur le chantier de construction, c'est la consternation : la mollesse et l'ivrognerie des employés sont inacceptables. Alexi n'a pas l'intention de tolérer ce genre de comportement une seconde de plus. Il a besoin d'employés parfaits pour un travail parfait et rapide, et c'est ce qu'ils lui donneront. Il n'y a pas de temps pour le social, la discipline est la seule chose qui compte. À son grand malheur, Mikhail épousait une toute autre philosophie et les employés l'aimaient. Pour empêcher une mutinerie, Alexi garde donc les services de l'ancien capitaine, mais ce n'est pas de bon coeur.

La construction du sous-marin nucléaire K-19 finalement terminée, il entreprend son voyage inaugural dans l'océan Atlantique à l'été 1961, et ce, au plus grand bonheur d'Alexi. Mais la magie s'estompe d'un seul coup : le 4 juillet, l'alarme résonne dans tout le sous-marin. Une fuite dans le système de refroidissement du réacteur nucléaire risque d'amorcer une explosion. Et si le réacteur explose, non seulement tout l'équipage sera réduit au néant, mais les États-Unis verront là une offensive nucléaire de la part de l'U.R.S.S. Le capitaine Alexi Vostrikov ne peut se permettre de déclencher une telle guerre. Il faut à tout prix colmater la brèche, ce qui s'annonce presque impossible avec les moyens insuffisants dont ils disposent et l'intense radioactivité qui en émane.