ベス・エムホフ（グウィネス・パルトロウ）は香港出張の帰り、夫のミッチ（マット・デイモン）が待つミネソタの自宅に向かわず、シカゴで元恋人と密会する。だが、ベスは咳と熱を発症しており、同じような症状の人間が香港、ロンドン、東京など各地で次々と亡くなっていた。その事件に疑惑を抱いたフリー・ジャーナリストのアラン・クラムウィディ（ジュード・ロウ）は、政府が伝染病を隠しているのではないかとブログで指摘する。さらに帰国から2日後、ベスが死亡し、続けてベスの連れ子クラークも命を落とす。報告を受けた世界保健機構（＝WHO）のドクター・レオノーラ・オランテス（マリオン・コティヤール）たちが、続いてアトランタの疾病予防センター（＝CDC）が調査に乗り出す。エリス・チーヴァー博士（ローレンス・フィッシュバーン）の指示でミネソタに派遣されたドクター・エリン・ミアーズ（ケイト・ウィンスレット）は、感染が疑われる人々の隔離を実施。カリフォルニア大学の医師が、コウモリと豚のウィルスが混ざった新種のウィルスであることを解明したが、現時点では治療法もワクチンもない。WHOはウィルスが48時間以内に世界主要都市に拡散すると宣告。ワクチン開発に全力が注がれるものの、ウィルスは変異し、恐るべき速度で感染拡大してゆく。折しもネットでは、米仏が治療薬を極秘に製造しているとの噂が広まったことから、中国衛生部のスン・フェンが故郷の村人のワクチンとの引き換えとして、オランテスを拉致。任務途中で感染するミアーズ。恋人に極秘情報を漏らしてしまうチーヴァー。娘を家に閉じ込めるミッチ。それぞれが愛する者を守ろうとする中、アランは政府が有効な治療薬を隠していると主張。恐怖はウィルスよりも早く感染し、パニックを起こした人々によって、各地で暴動が勃発する。それぞれが選んだ決断は……？そして明かされるウィルスの発生地点とは……？