冷戰後期,蘇聯研製了一艘新型颱風級核潛艇改進型「紅十月號」,並派老練的艇長馬克·雷明斯上校(Captain Marko Ramius)負責該艇的首次試航演習。按照試航演習的命令,「紅十月號」將在巴倫支海地區會同阿爾法級核潛艇「科諾瓦洛夫」號進行演習。雷明斯因為妻子遭遇醫療事故而辭世卻無法申訴而備受打擊,萌生了叛逃的念頭。起航前,雷明斯向蘇聯海軍政治部主任尤里·帕多林將軍寄出了一封信,說明自己將開著潛艇駛向紐約(事實上的目的地是美國諾福克海軍基地)。
起航後不久,雷明斯以意外事故的名義不留痕跡地秘密殺死了潛艇政委普京,並和同謀的軍官改變了潛艇航向由冰島以南的「戈爾什科夫鐵路」(紅1水道)航道駛向大西洋。他向全體官兵聲稱此舉是要利用該艇先進的靜音推進系統「履帶」去通過美國海軍的監視網,最後到達古巴的「秘密核潛艇基地」。
由於「履帶」系統的特殊性能,美軍的多艘潛艇,包括洛杉磯級攻擊型核潛艇SSN-700達拉斯號都無法成功追蹤「紅十月號」。蘇聯海軍在帕多林將軍收到信之後大為震怒。並派出了北方艦隊的大批艦艇分成三個戰鬥群搜尋並追殺「紅十月號」,這使美國十分驚恐。在秘密會議上,綜合了各方情報的中央情報局情報員傑克·雷恩博士大膽地認為雷明斯率艦改變航向是有意變節企圖投奔美國,這一分析最終得到了總統的認可。美國海軍出動了包括衣阿華級戰艦新澤西號在內的艦隊並且聯繫了附近的英國皇家海軍無敵號航空母艦共同應對來勢洶洶的蘇聯海軍艦隊。
在海上的「紅十月號」被達拉斯號潛艇上的聲納兵瓊斯發現了其音響特徵,最終被達拉斯號和無敵號追上。期間蘇聯追擊艦隊中的另一艘阿爾法級潛艇「波利托夫斯基」號因為長時間保持42節的超高速航行發生反應爐事故而沉沒。在和「無敵號」用信號燈進行了短暫的聯繫後,「紅十月」號開始按聯繫的內容行事。不久,以反應爐及換氣系統故障為名,雷明斯藉機疏散了除軍官團之外的大部分船員,傑克·雷恩和達拉斯號的部分艇員也借救援的名義來到了船上。待其他船員逃生後,雷明斯提出要求政治避難,而這時船上潛伏的蘇聯密情局間諜打死了一名軍官卡馬洛夫並導致了雷明斯和另一名軍官的受傷,經過一番激戰,傑克·雷恩擊斃了間諜,之後美軍按事先的計劃自我引爆了一艘退役的彈道飛彈核潛艇,紅十月號彈射了一枚「海鷹」潛射彈道飛彈,以給蘇聯方面造成「紅十月號」已經沉沒的假象。
蘇聯艦隊追擊到美國附近時收到了紅十月號已擊沉艦隊返航的指令。準備撤退的蘇聯阿爾法級潛艇「科諾瓦洛夫」號無意中發現了已經叛逃的「紅十月號」,並向「紅十月號」發射魚雷,「紅十月號」被擊中一枚魚雷但是沒有沉沒,雷明斯大膽地命令潛艇迎著魚雷駛去而使第二枚魚雷因距離過近而無法引爆,藉助巨大的噸位,雷明斯指揮「紅十月號」撞沉了「科諾瓦洛夫」號。最終,「紅色十月」號駛入了美國維吉尼亞州的諾福克海軍基地。
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