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En 1961, en pleine guerre froide, les Américains déploient des sous-marins nucléaires à portée de Léningrad et Moscou. Pour contrer cette menace, les Russes terminent la construction du sous-marin lance-missiles K-19. L'équipage est soumis à un rude entraînement imposé par le commandant Vostrikov. Les relations de ce dernier avec son second, Polenin, sont mauvaises. Près des côtes américaines, le sous-marin subit une très grave avarie. Coupés du monde, Vostrikov et ses hommes doivent affronter une fuite dans la zone du réacteur avec des moyens dérisoires.