Le 10 août 2000, le sous-marin russe K-141 Kursk prend la mer pour une manœuvre de la flotte russe du Nord dans la mer de Barents. A son bord se trouvent 118 hommes d'équipage. Le deuxième jour de l'exercice, l'explosion d'une torpille à bord provoque une catastrophe. Le Koursk subit de graves dommages et coule au fond de la mer. Seuls 23 hommes survivent et parviennent à se réfugier dans une section sûre du sous-marin, dont le capitaine-lieutenant Mikhail Averin (Matthias Schoenaerts). Pour des raisons de prestige et par peur de l'espionnage, le gouvernement russe refuse dans un premier temps toute aide internationale. Même les proches sont longtemps laissés dans l'ignorance de l'ampleur de la catastrophe. Les femmes, en particulier Tanya (Léa Seydoux), l'épouse de l'officier Averin, demandent désespérément des explications, mais en vain. Le commodore britannique David Russell (Colin Firth) en personne propose son soutien à l'amiral russe Gruzinsky (Peter Simonischek). Mais les Russes s'entêtent. Et le temps presse pour les survivants.