ソビエト、ムルマンスク沿岸。副長ボロディン（サム・ニール）から出発の時を告げられたソ連最新鋭原子力潜水艦レッド・オクトーバーの艦長ラミウス（ショーン・コネリー）は、秘かな決意を胸に、艦の前進を命令する。その頃、ＣＩＡのアナリスト、ジャック・ライアン（アレック・ボールドウィン）は、英国情報局から入手したレッド・オクトーバーの写真を片手に、その謎の解明に奔走していた。レッド・オクトーバーの不審な行動が次々と米国に報告される中、ライアンは、ラミウスが亡命するつもりなのかもしれない、と直感する。国家安全対策顧問ジェフリー・ペルト（リチャード・ジョーダン）から、3日以内にラミウスの真意を証明するよう命じられたライアンは、直ちに北大西洋沖の米空母エンタープライズに向かった。一方モスクワから、レッド・オクトーバー撃沈の命をうけたソビエト海軍の潜水艦コノヴァロフのツポレフ艦長（ステイラン・スカルスガード）は、血眼になってレッド・オクトーバーを追っていた。そんな折、レッド・オクトーバーの動きを察知したダラスの艦長バート・マンキューソ（スコット・グレン）は、ソナー員のロナルド・ジョーンズ（コートニー・Ｂ・ヴァンス）からその行動を聞き、レッド・オクトーバーを待ちぶせしようとする。しかし同じ頃レッド・オクトーバーでは、乗組員の中に破壊工作員がいることが判明し、艦内は緊迫していた。嵐という最悪の天候の中、命からがらダラスに着いたライアンは、駐米ソビエト大使リセンコ（ジョス・アックランド）の連絡をうけ、レッド・オクトーバーを攻撃するよう命令があったことを知る。ライアンはマンキューソを説得し、ラミウスとの接触を試み、そして彼の真意が亡命にあることを確認する。レッド・オクトーバーが沈没したと見せかけるラミウスの機転で、ライアンたちは無事レツド・オクトーバーに乗り移るが、その時破壊工作員の襲撃をうけ、ボロディンが命を落とした。ラミウスとライアンは工作員を倒し、そして背後に迫っていた、コノヴァロフが放った魚雷を避け、逆にコノヴァロフに向けて爆発させたことで難を逃れた。そしてラミウスたちは、晴れてアメリカ亡命を遂げるのだった。