In Chernobyl dreht sich alles um die Suche nach den Ursachen der Katastrophe von Tschernobyl und die Schwierigkeiten, die damit verbunden sind sowie die düsteren, verborgenen Geheimnisse hinter der Katastrophe und die grausamen Folgen auf die Betroffenen. Bei ihren Ermittlungen werden die Hauptcharaktere Valery Legasov (Jared Harris) und Boris Shcherbina (Stellan Skarsgard) vor allem vom sowjetischen Machtapparat behindert. Die beiden sind jedoch nicht die einzigen, die versuchen, das Unglück aufzuklären: Auch die Wissenschaftlerin Ulana Khomyuk (Emily Watson) begibt sich in Chernobyl in Gefahr.