Chris (Jesse McCartney), su novia Natalie (Olivia Taylor Dudley) y su amiga común Amanda (Devin Kelley), viajan por Europa. Se detienen en Kiev, Ucrania, para visitar al hermano de Chris, Paul (Jonathan Sadowski), antes de dirigirse a Moscú, Rusia, donde Chris tiene la intención de proponerle matrimonio a Natalie.

Paul sugiere que hagan una excursión extrema a Pripyat, una ciudad abandonada que se encuentra a la sombra de la central nuclear de Chernóbil, el lugar donde se produjo el desastre nuclear de 1986. Chris se opone a la excursión y prefiere seguir con el plan original de ir a Moscú, pero Paul insiste. Conocen al guía turístico Yuri (Dimitri Diatchenko) y se les une una pareja de mochileros, la noruega Zoe (Ingrid Bolsø Berdal) y el australiano Michael (Nathan Phillips). Yuri los conduce a través de Ucrania, antes de llegar a un puesto de control de la Zona de Exclusión de Chernóbil, donde los militares ucranianos les niegan la entrada. Entonces los lleva a una entrada alternativa que descubrió hace años.

El grupo se detiene en un río donde Yuri señala un gran pez mutante aparentemente capaz de vivir en tierra; mientras regresan a su furgoneta, ven varios otros peces mutantes. El grupo está preocupado por el envenenamiento por radiación, pero Yuri garantiza su seguridad con un contador Geiger. Tras pasar unas horas explorando, Yuri les lleva al piso superior de un edificio de apartamentos y les muestra la central nuclear de Chernóbil en el horizonte cercano. Tras oír ruidos en el otro extremo del apartamento, se descubre que se trata de un oso que corre por el pasillo junto a ellos, pero sin hacerles daño.

El grupo se prepara para abandonar Pripyat, pero Yuri descubre que los cables de su furgoneta han sido mordidos. Intenta pedir ayuda por radio, pero no lo consigue. Al caer la noche, el grupo decide si va a caminar hasta un puesto de control cercano que está a 20 km (12 millas) de distancia, o si se queda quieto y espera ayuda. De repente, se oyen ruidos extraños en el exterior, donde Yuri sale a investigar y Chris le sigue. Se oyen disparos y Paul sale corriendo, regresando con Chris, cuya pierna ha sido gravemente mutilada, y afirmando que se han llevado a Yuri. Mientras deciden pasar la noche en su vehículo cerrado, son atacados por los perros.

Al día siguiente, Paul, Michael y Amanda salen a buscar a Yuri. Siguen un rastro de sangre hasta una cafetería abandonada y encuentran el cuerpo mutilado de Yuri. Se llevan su arma y son perseguidos por una criatura a través del edificio antes de volver a la furgoneta. Amanda revisa su cámara y una de las fotos muestra una criatura humanoide dentro de uno de los edificios de apartamentos. Natalie se queda con el herido Chris mientras los demás comienzan la caminata hacia el puesto de control.

Durante la caminata, Paul, Amanda, Michael y Zoe encuentran un aparcamiento, donde encuentran piezas para la furgoneta de Yuri. En el camino de vuelta son perseguidos por perros y también atacados por peces mutantes en un arroyo. Cae la noche cuando el grupo vuelve a la furgoneta, sólo para encontrarla al revés y destrozada. Encuentran la cámara de vídeo de Natalie, que muestra que ella y Chris fueron atacados y capturados por mutantes humanoides. Mientras buscan a los dos dentro de un viejo edificio, el grupo es perseguido por más mutantes.

Durante su huida, una traumatizada Natalie es encontrada y rescatada, pero cuando el grupo se distrae con una misteriosa joven, Natalie es capturada de nuevo. El resto del grupo es acosado por una horda de mutantes y se ven obligados a retirarse. Mientras huyen por un pasaje subterráneo, Michael es capturado. Mientras continúan, encuentran el anillo de compromiso de Chris para Natalie, sin rastro de Chris. Mientras suben por una escalera, una banda de mutantes arrastra a Zoe hacia abajo, obligando a Amanda y a Paul a dejarla atrás, saliendo del pasaje justo al lado del núcleo del reactor nuclear expuesto. Paul reconoce que los altísimos niveles de radiación les están provocando ampollas en la piel. Se encuentran con el cuerpo de Natalie justo antes de enfrentarse a algunos de sus atacantes mutantes. Los dos supervivientes se enfrentan a fuerzas militares ucranianas fuera del edificio del reactor. Paul, cegado por la radiación, tropieza con los soldados, que lo matan.

Amanda cae inconsciente y más tarde se despierta en una camilla. Varios médicos, con trajes protectores para materiales peligrosos, le informan de que está en un hospital y que la ayudarán. Los médicos le revelan que las "criaturas" eran pacientes fugados y, tras darse cuenta de que Amanda "sabe demasiado", la obligan a entrar en una celda oscura y es asediada por los pacientes recapturados.

Final alternativo

Un final alternativo de la película muestra a Amanda siendo llevada por los soldados después de matar a Paul. Más tarde se la ve en una oscura habitación de hospital, envenenada por la radiación (como demuestra la falta de pelo), suplicando ayuda mientras la película se corta en negro.