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1986年４月26日未明、旧ソビエト連邦のチェルノブイリ原子力発電所で爆発が起こる。現場監督の副技師長ディアトロフは、部下に原子炉の炉心へ行き確認するよう指示する。一方、出動命令を受けた消防士ワシリーが現場に向かう中、近隣住民は遠くで起きている火事を見物していた。そんな中、発電所幹部が核シェルターに集まり、事故は適切に処理され、甚大な被害はないという見解で一致し…。

翌朝、原子理学者のホミュックが勤める研究所で高濃度の放射性物質が検知され、近くの病院は搬送された作業員や消防士、その家族でごった返していた。クレムリンではゴルバチョフ書記長ら政府幹部が集まり、事故は適切に処理されているとの認識を確認するが、いたたまれなくなったレガソフ博士は原子炉が損壊している恐れがあり、高濃度の放射能が漏れているはずだと発言。書記長はレガソフとシチェルビナ副議長に現場検証を命じる。

事故から４日後、被曝した消防士の妻リュドミラは夫が搬送された病院に駆けつけ、絶対に彼に触れないという条件で面会を許される。現場では火災は消し止められるもメルトダウン（炉心溶融）が始まっており、汚染された水が大陸中に流出する恐れがあると気付いたレガソフは、避難区域を拡大するようゴルバチョフ書記長に訴える。ホミュックは事故当時の状況を作業員に直接聞くため、彼らが搬送された病院に向かう。

当局は軍を増員して危険区域に残された家畜やペットなどの害獣駆除や、汚染された樹木や地表の処理にあたる。レガソフらは、高濃度の放射能汚染のために、５ヵ月が経っても手が付けられなかった原子炉の屋根の上の黒鉛除去作業に、ロボットの使用を試みる。現場の惨状をよそに当局は、事故による被害の大きさは世界規模ではないとの見解を固持する。ホミュックは、現場監督だったディアトロフに事故当時の状況を聞くが…。

1987年７月、シチェルビナ、ホミュック、レガソフは、法廷で事故の当日に発電所内で起きた一部始終を調査した結果を、法廷で証言する。レガソフの証言中、シチェルビナは激しく咳き込み、自身の体調の急激な悪化を実感する。今回の証言が前回の証言内容と異なることを指摘されたレガソフは、前回は当局やＫＧＢを恐れて嘘の証言をしたが、隠ぺいの代償の大きさを分かってほしいと真実を訴えると、身柄を拘束されてしまう。