Pendant la deuxième guerre mondiale, le gouvernement Nazi parvient à convaincre le prix Nobel de physique Werner Heisenberg de diriger son programme nucléaire. Afin de construire son réacteur, Heisenberg a besoin d'eau lourde dont l'unique fabrique appartient à l'entreprise Norsk Hydro, et se trouve à Rjukan dans la montagne norvégienne. Les alliés, prêts à tout pour empêcher le projet des nazis, s'associent à Leif Tronstad, résistant norvégien et concepteur de l'usine d'eau lourde.

Leif Tronstad doit monter une unité de reconnaissance constituée de cinq norvégiens chargés de préparer l’atterrissage des deux planeurs dans le cadre de l’opération Freshman dont la mission est de neutraliser l’usine d’eau lourde de Vemork. Parallèlement, lors d’une visite à Copenhague, Werner Heisenberg tente de rallier Niels Bohr à sa cause mais celui-ci refuse et préfère se mettre au service des alliés.

Face à l'échec de la mission britannique, les alliés perdent patience et insistent pour bombarder la fabrique d'eau lourde mais Leif Tronstad parvient à les convaincre d'envoyer un commando de soldats norvégiens pour saboter l'usine de l'intérieur. Il forme un groupe de six hommes dont l'objectif est de rejoindre les membres de l'opération Grouse dans la montagne, et de déjouer la vigilance des nazis afin d'infiltrer le site de production.

Les hommes de l’opération Gunnerside, aidés d’un braconnier parviennent à retrouver les Grouse. Joachim Ronnerberg leur expose le plan pour entrer dans l’usine. Les avis sont partagés. Finalement, au lieu de passer par le pont, ils décident de descendre au fond de la gorge et de remonter de l’autre côté. Ils parviennent à entrer dans l’usine et à placer les charges explosives sous les cuves.

Suite au succès de l'opération de sabotage, les allemands mettent tout en œuvre pour reconstruire le site de production d'eau lourde. Le directeur de l'usine, Bjørn Henriksen, sent que la défaite allemande est proche. Il parvient à négocier une arrestation amiable afin de laver son honneur en prévision de la fin de la guerre. Les américains décident de riposter en bombardant massivement l'usine de Rjukan. Les pertes humaines sont lourdes mais l'opération est un échec. Les nazis décident de déménager l'usine en Allemagne, le dernier espoir des alliés est de détruire le matériel lors de son déplacement.

Les hommes de la résistance norvégienne décident de couler le ferry qui transporte les barils d’eau lourde. L’opération est considérée comme une réussite par Winston Churchill malgré la perte d’une cinquantaine de vies humaines. Les allemands sont à deux mois de la capitulation et Leif Tronstad est envoyé sur une dernière mission en Norvège, l’Opération Sunshine.