Csernobil sorozat 1988. április 26-ának éjjelén Valerij Legaszov rögzít pár kazettát, melyben Anatolij Gyatlovot felelősként jelöli meg a csernobili katasztrófa megtörténtéért, és elégedetlenkedik, amiért megúszta 10 év börtönbüntetéssel, ugyanakkor elmondja azt is, hogy a valódi fő felelősök sokkal magasabb posztokon keresendők. Miután elteszi a kazettákat, felakasztja magát. Éppen két évvel és egy perccel korábban, 1986. április 26-án hajnali 1 óra 26 perckor Pripjaty városában Vaszilij Ignatyenko tűzoltó és felesége, Ljudmila szemtanúi lesznek lakásuk ablakából a csernobili atomerőmű robbanásának és kigyulladásának. Vaszilijt behívják, hogy segédkezzen a tűzoltásnál, eközben az erőműben Gyatlov, Akimov, Toptunov és társaik próbálják elhárítani. Perevozcsenko találkozik Juvcsenkóval, majd egy sérült munkatársukkal, aki elmondja, hogy a reaktormag nyitva van. Lemennek a lángoló maghoz, ezalatt a tűzoltók megkezdik az oltást. Az egyik tűzoltó felemel egy grafitdarabot, és súlyos sérüléseket szenved a sugárzó anyagtól.
Homjuk még Minszkben felkeres egy vezető pártfunkcionáriust, aki nem hajlandó foglalkozni az üggyel, ezért a kutató Pripjatyba utazik. Közben Ljudmila bejut a helyi kórházba, ahol megtudja, hogy férjét súlyos állapota miatt átszállítják Moszkvába a többi tűzoltóval együtt. Moszkvában Legaszov felvázolja a bizottság ülésén, hogy a helyzet sokkal súlyosabb, mint amilyennek a jelentések mutatják, ezért Scserbinával együtt a helyszínre küldik. Az úton Legaszov és Scserbina vitatkozni kezdenek, végül Scserbina elfogadja Legaszov álláspontját, miután az erőmű tetején szerteszét heverő grafitdarabokkal bizonyította, hogy a reaktormag valóban szabadon áll. Amikor Scserbina szembesíti ezzel Brjuhanovot és Fomint, ezek Gyatlovra próbálják hárítani a felelősséget. Pikalov tábornok egy sugárzásmérőt hozat, amellyel igazolja, hogy valóban nagy a baj és az elismertnél többezerszer magasabb a sugárzás mértéke. Legaszov javaslatára a katonaság homokot és bórt hoz a nyitott reaktor befedéséhez, amit helikopterekkel szórnak le, viszont ez veszélyesnek bizonyul.
A konstrukciós hibáról már korábban figyelmeztették a Kremlt, azonban a megoldás helyett eltussolták az esetet. Mindeközben Ljudmila Ignatyenko megszülte kislányát, aki nem sokkal később meghalt a sugárzás szövődményei miatt. Homjuk arra kéri Legaszovot, hogy mondja el az NAÜ-nek az igazat, bármi is lesz a következménye – ezzel szemben Miután Legaszov megtette beszámolóját Bécsben – ahol nem mondta el a teljes igazságot –, felterjesztik kitüntetésre. Egyetlen feltétele van ennek: Gyatlovék büntetőperében hasonló tanúvallomást kell tennie. Legaszov hezitál, és biztosítékként azt kéri, hogy a többi RBMK reaktort alakítsák át úgy, hogy többé ne fenyegessen hasonló baleset veszélye. A Pripjatyban zajló büntetőperben először Scserbina vázolja fel nagy vonalakban, hogy is működik egy reaktor, majd Homjuk és Legaszov tesznek vallomást azok alapján, amiket a tanúktól hallottak. Visszaemlékezésekben láthatjuk a baleset pontos kronológiáját, melyből kiderül, hogy Gyatlov sorozatos hibás döntései vezettek a tragédiához.
Scserbina telefonhívást kap, és szembesül vele, hogy a külvilág mindenről tud. Elrendelik a város evakuálását. Homjuk megérkezik Pripjatyba, ahol megérteti Scserbinával és Legaszovval, hogy a mag leolvadása miatt egy hatalmas gőzrobbanás az addiginál is súlyosabb tragédiát okozhat, mivel a reaktor alatt nagy mennyiségű hűtő- és tűzoltóvíz gyűlt össze. Ennek megakadályozására három önként jelentkező munkást küldenek búvárruhaban az erőműblokk alagsorába, hogy a rossz helyen összegyűlt víz leeresztéséhez megnyissák a csapokat. Bár sikerül leengedni a hűtővizet, Pikalov figyelmeztet mindenkit, hogy a reaktormag leolvadása megkezdődött, ez pedig a felszín alatti vizek elszennyeződésével járhat, ami a Dnyeperbe kerülve sok millió ember ivóvizét veszélyezteti. Scserbina és Legaszov sikeresen meggyőzik Gorbacsovot, hogy be kell építeni egy hőcserélőt a reaktor alá, amelyhez a Szovjetunió összes folyékony nitrogénjére szükség van. Ahhoz, hogy ezt a megfelelő helyre juttassák, Tula térségéből hoznak tapasztalt szénbányászokat.
Azonban azt is elmondja, hogy amikor Akimov megnyomta a vészleállító gombot, a reaktor tervezési hibája miatt nem állt le a láncreakció, hanem elszabadult. Legaszov ezután felfedi azt a titkosított információt, amit megtudott a leningrádi erőmű kapcsán és elmondja, hogy Bécsben hazudott. Legaszovban ekkor tudatosul végleg, hogy nem fogják átalakítani a reaktorokat, hiszen az a vereség beismerése lenne a Szovjetunió részéről, és ezt a rendszer nem engedheti. Így számonkérő hangon szól az egybegyűltekhez. Ezt követően a KGB őrizetbe veszi és közlik vele, hogy a vallomását nem hozzák nyilvánosságra, meg sem történtnek tekintik, továbbá megtiltják, hogy bármikor bárkivel beszéljen Csernobilról, elveszti az állását és utólag az eseményekhez való bármilyen kapcsolódásának nyomát is törlik. A záró képsorokban a szereplők való életbeni megfelelőinek további sorsát mutatják be.