국가수송안전위원회(NTSB)의 조사관 존 세거(John Seger: 롭 로우 분)는 재혼한 부인 매건(Megan Seger: 크리스틴 데이비스 분)과 그녀의 아들 첸스(Chance MacKenzie: 숀 스미스 분), 전부인과의 딸 그레이스(Grace Seger: 메나 수바리 분)와 덴버에서 단란하게 살고 있다. 한 폐기물 전문 회사에서 러시아산 밀수 핵폭탄을 몰래 폐기하려고 덴버로 향하는 화물 열차에 몰래 적재시키면서 문제의 발단이 시작된다. 핵폭탄을 실은 열차는 브레이크 고장을 일으키게 되고 이 상황을 전해들은 존은 기차를 세우기 위해 헬기에 타고 후발 열차에 뛰어내린 후 가까스로 핵폭탄 열차를 따라잡게 된다. 미 당국에서는 이 폭탄열차를 정지시키려고 인공 모래언덕을 만드는 등 모든 방법을 강구하지만 소용없게 되자 이 열차를 탈선시킬 계획을 세운다.

하지만 때마침 이 폐기물 전문 회사의 양심적인 직원이 핵폭탄에 대해 제보함으로 핵폭발의 위험성 때문에 탈선 계획은 취소되고 덴버시는 핵폭발의 공포에 휩싸인다. 어떻게든 열차를 세워보려던 존의 노력은 수포로 돌아가고 폭탄 열차는 결국 산과 충돌하면서 탈선하고 만다. 기차 탈선 후에도 존과 전문가들은 다행히 불길 속에서도 폭발 안한 핵폭탄을 해체해 위험 요소를 제거하려 하지만 끝내 모두가 우려하던 핵폭발이 일어나고 만다. 덴버 시내는 폭도들이 미쳐 날뛰고 법과 질서는 공포에 짓눌려 무너진다. 광분한 시민과 무모하게 시민들을 진압하는 경찰들, 그 사이에서 존은 아내와 두 아이를 구하기 위해 필사적으로 몸부림친다. 핵폭발로 인한 전자기 파동으로 모든 통신과 교통이 두절된 상태에서 시민들은 필사적으로 대피하려고 아우성친다. 천신만고 끝에 이들 일행은 새벽에 돼서야 안전한 곳에 이른다. 피해 상황은 측정할 수 없을 정도며, 위험이 완전히 제거된 것도 아니지만 이들은 결코 희망을 버리지 않는다.