Im Juni 1961 erhält der sowjetische Fregattenkapitän Alexei Vostrikov den Befehl, mit dem neuen Atom-U-Boot K-19 den Abschuss einer Rakete aus dem arktischen Eis heraus zu testen und den Vereinigten Staaten damit die entsprechende Einsatzbereitschaft der sowjetischen Streitkräfte zu demonstrieren.
Doch schon beim Bau von K-19 ereignet sich eine Reihe von teils tödlichen Pannen. Die Besatzung setzt sich aus sehr jungen, 20- bis 25-jährigen Matrosen zusammen. Auch schaffen persönliche Konflikte, darunter die Abneigung von Vostrikov gegen seinen Ersten Offizier Polenin, Spannungen an Bord.
Der Raketentest gelingt, aber am 18. Tag auf See geschieht das Unglück. 70 Seemeilen westlich der amerikanischen Funkstation auf der Insel Jan Mayen entsteht ein Leck im primären Kühlkreislauf des zweiten Kernreaktors. Die unkontrollierte Kettenreaktion droht dabei nicht nur, K-19 zu zerstören, sondern auch den Reaktor durchbrennen zu lassen, was eine nukleare Katastrophe befürchten lässt.
Eine provisorische Kühlung des Reaktors gelingt unter schwerster Verstrahlung von sechs Seeleuten. Aufgrund fehlender Strahlenschutzanzüge müssen sie mit einfachen Säureschutzanzügen arbeiten und sind damit einer tödlichen Strahlendosis ausgeliefert. Schließlich gelingt es ihnen, das Kühlungssystem notdürftig zu reparieren und so den Reaktor vor der Kernschmelze zu bewahren. Inzwischen wird das aufgetauchte Boot von einem herbeigeeilten amerikanischen Zerstörer und einem Hubschrauber beobachtet.
Die Reparatur war jedoch nur bedingt erfolgreich, denn kurz darauf reißt die angebrachte Schweißnaht wieder auf.