La Seconde Guerre mondiale commence et l'Allemagne lance son programme nucléaire. Le prix Nobel Werner Heisenberg, responsable du programme, a besoin de l'eau lourde pour alimenter le réacteur qu'il construit. Cette dernière est produite en Norvège, dans une usine à Vemork, près de Rjukan, et le directeur Bjørn Henriksen doit négocier avec les Allemands. Le créateur de la fabrique d'eau lourde, Leif Tronstad, à la fois scientifique et résistant, commence à se méfier de l'augmentation de la demande allemande et contacte les services secrets britanniques. Il part ensuite à Londres pour aider les alliés à stopper la production.

En Angleterre, Leif Tronstad forme un groupe de saboteurs qu'il nomme « Grouse ». Le commando se dirige vers le plateau d'Hardanger : il servira d'éclaireur aux soldats britanniques membres de l'Opération Freshman. Le but de la mission est de faire exploser l'usine de Vemork. En Allemagne, Werner Heisenberg continue de construire le réacteur atomique et reçoit des quantités importantes d'eau lourde provenant de l'usine. Le commando « Grouse » est maintenant sur le plateau d'Hardanger, et crée une aire d'atterrissage. Luttant contre une violente tempête de neige, les soldats de l'Opération Freshman se dirigent vers la Norvège.

Après l'échec de la mission Freshman, les Allemands augmentent les mesures de sécurité autour de l'usine et se vengent sur les civils locaux. En Allemagne, Werner Heisenberg livre un discours extrêmement convaincant qui lui assure un budget plus important pour son programme. Inquiets, les Américains souhaitent bombarder Vemork, mais Leif Tronstad les persuade de faire équipe avec les Britanniques pour envoyer un commando norvégien faire sauter le sous-sol de l'usine. Tronstad rassemble les saboteurs et les entraîne, alors qu'au même moment, sur le plateau d'Hardanger, le commando Grouse est isolé, sans vivres.

Le commando Gunnerside atterrit sur le plateau d'Hardanger et rencontre le commando Grouse. Ils se lancent dans les derniers préparatifs de la mission. Le directeur Bjørn Henriksen subit la pression de ses pairs et tente de se sauver en détruisant des documents compromettants. Le 27 février 1943, neuf saboteurs quittent le plateau et se dirigent vers l'usine avec la ferme intention de la faire exploser.

Les Allemands reconstruisent rapidement l'usine après l'opération de sabotage. Mais le cours de la guerre est sur le point de s'inverser en Allemagne et Werner Heisenberg peine à obtenir les ressources nécessaires à la fabrication de son réacteur atomique. Le directeur Bjørn Henriksen, réalisant qu'il risque d'être accusé de collaboration avec les Nazis, tente de négocier. En Angleterre, les Américains ne supportent plus d'attendre des nouvelles des opérations de sabotage de Tronstad et décident de bombarder Rjukan et les installations à Vemork.

Les Allemands décident de rapatrier l'eau lourde. Les alliés choisissent de couler le ferry qui doit assurer le transport. En Allemagne, Werner Heisenberg assiste à la destruction simultanée de ses rêves et de Berlin. Le directeur Bjørn Henriksen est emprisonné en Pologne et Leif Tronstad est envoyé en Norvège pour mener à bien l'opération de sabotage Sunshine. Le ferry fait naufrage en traversant le lac Tinn et les derniers feux de la guerre ont des conséquences dramatiques pour Leif Tronstad, Werner Heisenberg et Bjørn Henriksen.