Durante un vuelo rutinario a Minneapolis, una pasajera (Susan Dey) a bordo del vuelo 502 de Global Airways, un Boeing 707, descubre una amenaza de bomba escrita con pintalabios en el espejo de un baño de primera clase. El capitán Hank O'Hara (Charlton Heston) cree que se trata de una broma, pero cuando una segunda amenaza escrita a mano es dejada en la bandeja de servicio de una azafata, se convence de que debe tomarse en serio las crípticas amenazas y sigue las instrucciones: "Bomba en el avión desvíese a Anchorage, Alaska. Sin bromas ni trucos. Muerte", cambiando el rumbo hacia Alaska. Para evitar una descompresión explosiva si estalla una bomba, vuela a menor altitud, lo que aumenta el consumo de combustible.

El capitán ignora la advertencia de un pasajero, un violonchelista de jazz (Roosevelt Grier), que sospecha que su compañero de asiento, el sargento Jerome K. Weber (James Brolin), es el secuestrador. El tiempo en Anchorage es tan malo que se llama a un especialista en aproximación controlada desde tierra de las Fuerzas Aéreas de los Estados Unidos (Claude Akins). Su radar muestra un pequeño avión con fallo de radio que se aproxima a la misma pista, pero el Vuelo 502 tiene muy poco combustible para dar la vuelta. O'Hara ve al otro avión en el último momento y consigue evitar una colisión y aterrizar sano y salvo.

Una vez en tierra, los pasajeros intentan desarmar a Weber, un veterano de Vietnam enloquecido por el trauma de la guerra. Tenga o no una bomba, Weber está ciertamente armado con pistolas y granadas y consigue rechazar un intento de otros pasajeros de desarmarle y amenaza con detonar una granada que lleva en la mano si alguien intenta interferir en sus planes.

Weber es conducido a la cabina del piloto, donde exige que se reposte el avión. Mientras el secuestrador se ocupa de asumir el control, la azafata principal (Yvette Mimieux) supervisa la huida de los pasajeros de clase turista por el tobogán de emergencia. Weber se indigna, pero permite que salgan los pasajeros restantes y tres azafatas. Se queda con el resto de la tripulación como rehenes y con la mayoría de los pasajeros de primera clase, entre los que se encuentran un senador estadounidense (Walter Pidgeon) y una mujer embarazada (Mariette Hartley) que se ha puesto de parto prematuramente debido a la crisis. Un agente federal intenta colarse a bordo, pero es atrapado por Weber y se convierte en otro rehén. Weber exige volar a Moscú, donde pretende desertar a la Unión Soviética.

Aunque los soviéticos deniegan el permiso para entrar en su espacio aéreo, Weber, cada vez más agitado, obliga a los pilotos a continuar. Al entrar en el espacio aéreo soviético, O'Hara ordena que el tren de aterrizaje y los flaps se bajen a una configuración de aterrizaje completo y transmite su situación al control de tierra soviético. El avión es rodeado por cazas soviéticos que lo escoltan hasta el aeropuerto de Moscú. Al avión secuestrado se le permite aterrizar en Moscú, pero se le ordena detenerse antes de llegar a la terminal mientras soldados armados rodean el avión.

El resto de la tripulación y los pasajeros son finalmente liberados, dejando a O'Hara y Weber como los últimos a bordo. Weber, que había albergado fantasías de ser recibido por los soviéticos como un héroe, está exultante por haber logrado aparentemente sus sueños y se regodea ante O'Hara de que ni siquiera poseía una bomba. Cuando se da cuenta de que las fuerzas soviéticas están rodeando el avión para atacarle y no para darle la bienvenida, se enfunda una bandolera de granadas y se prepara para abrir fuego. Cuando O'Hara intenta intervenir, Weber le dispara y conduce al capitán por la pista de aterrizaje. Mientras los soldados se preparan para disparar y Weber saca el seguro de una granada, O'Hara consigue empujar al secuestrador lejos de él. Weber recibe un disparo y cae sobre su propia granada, que detona matándole al instante. O'Hara sobrevive y es colocado en una camilla. Cuando mira hacia el cielo, sonríe aliviado al ver otro avión que ha partido.