A principios o mediados de los años 60, en plena Guerra Fría entre Estados Unidos y la Unión Soviética. Un avión desconocido se aproxima a Norteamérica procedente de Europa. Los bombarderos estadounidenses Vindicator del Mando Aéreo Estratégico (SAC) son enviados a sus puntos de seguridad cerca del Lejano Oriente ruso. Los bombarderos tienen órdenes de no pasar de sus puntos de seguridad sin recibir un código de ataque especial. Se demuestra que la amenaza original es inocua y se emiten órdenes de retirada. Sin embargo, debido a un fallo técnico, el código de ataque, CAP811, se transmite al Grupo Seis, formado por seis bombarderos supersónicos Vindicator y cuatro cazas de escolta. El coronel Grady, piloto al mando del Grupo Seis, intenta ponerse en contacto con el cuartel general del SAC en Omaha para verificar la orden de ataque (llamada "Positive Check"), pero debido a las interferencias de radio soviéticas, Grady no puede oír a Omaha. Concluyendo que la orden de ataque y la interferencia de radio sólo podían significar la guerra, Grady comanda el Grupo Seis hacia Moscú, su destino previsto.

En reuniones celebradas en Omaha, en el Pentágono y en el refugio antinuclear de la Casa Blanca, políticos y académicos estadounidenses debaten las implicaciones del ataque. El profesor Groteschele sugiere que Estados Unidos lleve a cabo este ataque accidental con un ataque a gran escala para obligar a los soviéticos a rendirse.

El presidente estadounidense ordena a las Fuerzas Aéreas que envíen a los cuatro cazas de escolta tras los bombarderos para derribar a los Vindicator. El objetivo es demostrar que el ataque de los Vindicator es un accidente y no un ataque nuclear a gran escala. Tras utilizar sus postquemadores en un intento de alcanzar a los bombarderos, los cazas se quedan sin combustible y se estrellan, condenando a los pilotos a morir expuestos en el Mar Ártico. Los cazas no consiguen destruir ningún bombardero.

El presidente estadounidense se pone entonces en contacto con el primer ministro de la Unión Soviética y le ofrece ayuda para atacar al grupo. Los soviéticos declinan al principio; más tarde, deciden aceptar la ayuda de los estadounidenses.

Mientras tanto, el cuerpo de defensa aérea soviético PVO Strany consigue derribar dos de los seis aviones. Tras aceptar la ayuda americana derriban dos aviones más. Dos bombarderos siguen rumbo a Moscú. Uno es un señuelo y no lleva bombas. El otro lleva dos artefactos de 20 megatones. El general Bogan le dice al mariscal Nevsky, comandante de la defensa aérea soviética, que ignore el avión señuelo porque es inofensivo. Nevsky, que desconfía de Bogan, ordena a sus aviones soviéticos que persigan al avión señuelo. Los cazas soviéticos se encuentran entonces fuera de posición para interceptar al último bombardero estadounidense. La finta del señuelo garantiza que el bombardero restante pueda atacar con éxito. Tras el fracaso, Nevsky se derrumba.

Cuando el bombardero se aproxima a Moscú, el coronel Grady abre la radio para ponerse en contacto con el SAC e informarles de que están a punto de realizar el ataque. Como medida de última hora, los soviéticos disparan una andanada de misiles con cabezas nucleares para formar una bola de fuego en un intento de derribar al Vindicator, que vuela bajo. El bombardero dispara dos misiles señuelo, que logran hacer volar a los misiles soviéticos y el avión del coronel Grady sobrevive.

Con la radio abierta, el Presidente intenta persuadir a Grady de que no hay guerra. El hijo de Grady también intenta convencerlo. Bajo órdenes permanentes de que un intento de retirada tan tardío debe ser un truco soviético, Grady les ignora. Grady dice a su tripulación que "no sólo somos heridos andantes, somos muertos andantes", debido a la radiación de los misiles soviéticos. Su intención es sobrevolar Moscú y detonar las bombas del avión. Su copiloto señala: "No hay nada a lo que volver a casa". Mientras tanto, el presidente norteamericano ha ordenado que otro bombardero norteamericano sobrevuele Nueva York con una carga de 40 megatones, que debería ser lanzada en caso de bombardeo de Moscú. El embajador americano en Moscú informa sobre los últimos momentos de la capital soviética antes de ser vaporizada por la explosión.

El bombardero estadounidense recibe la orden de lanzar sus bombas sobre Nueva York para que la destrucción de Moscú sea recíproca y se evite una Tercera Guerra Mundial. Anteriormente se había revelado que la esposa del Presidente de Estados Unidos se encontraba en Nueva York mientras ocurrían los hechos de la película, por lo que moriría en la explosión. El piloto del bombardero estadounidense, el general Black, se suicida con una inyección letal justo después de soltar las bombas.

Se muestra a los neoyorquinos haciendo su vida, sin ser conscientes de su inminente perdición. La pantalla se vuelve blanca y aparece un texto en el que se enumeran los 9 países con capacidad nuclear en el año 2000.