Historien om Kampen om Tungtvannet utspiller seg i løpet av opptakten, utbruddet og avslutningen av 2. verdenskrig. Vi følger historiene til de sentrale i kampen om hvem som først får utviklet atomvåpen.
Den tyske nobelprisvinneren i fysikk, Werner Heisenberg, får i oppdrag å utvikle en atombombe for nazistene. Den norske kjemiprofessoren og majoren Leif Tronstad aner hva som er på gang, og advarer de allierte under et møte i England.
Planen om å sprenge det norske tungtvannsanlegget begynner å ta form. En aksjonsgruppe med navnet Grouse blir dannet, og Tronstad håndplukker Knut Haukelid som leder. Heisenberg drar til København for å møte sin gamle mentor, Niels Bohr.
Tyskerne øker sikkerheten i Rjukan, samtidig som Tronstad presenterer en ny plan for å sprenge fabrikken innenfra. Heisenberg begynner å bli besatt av arbeidet sitt og forsikrer nazistene om at bomben vil bli kraftig nok til å ødelegge London.
Gunnerside-gruppen kommer ut av kurs under flygningen, men Haukelid tror de vil finne frem likevel. Mannskapet inntar de snødekte fjellene og begynner å lete etter Grouse-gruppen. Heisenberg har klart å få ny tillit fra nazistene.
Helberg blir tatt til fange av tyskerne og må kjempe for livet. Tronstad prøver å hindre amerikanerne i å sende bombefly til Rjukan, og nazistene legger en plan for å flytte hele tungtvannsproduksjonen til Tyskland.
De allierte beordrer Haukelid og de andre til å senke ferjen i Rjukan. Heisenberg forteller at han bare trenger 500 liter tungtvann for å ferdigstille atombomben, og Diebner tar i bruk hemmelige dokumenter.
