En décembre 1983 (donc 3 ans dans le futur, le film ayant été réalisé en 1980), un sous-marin nucléaire britannique, le HMS Nereid, entre dans la baie de Tokyo, qui est devenue une ville fantôme. Le capitaine Mc Cloud (Chuck Connors) envoie un drone de reconnaissance à la recherche d'éventuels survivants, seulement pour constater l'unique présence de cadavres en décomposition. À bord du Nereid, le sismologue japonais Yoshizumi (Masao Kusakari), et le Dr. Latour (Cec Linder) qui insiste pour récupérer un échantillon d'air, contenant quelque chose appelé MM.8.08 (MM88 dans la version originale).
Après le générique, le film revient un an plus tôt, en février 1982 (donc toujours 2 ans dans le futur de l'époque de la réalisation du film), à Leipzig, en Allemagne de l'Est. Le Dr. Krause, un scientifique allemand est en négociation avec un groupe d'américains. L'objet de l'échange est un échantillon de virus mortel confiné dans de la glace, le MM.8.08, créé accidentellement par un généticien américain, qui a la caractéristique d'amplifier la toxicité de tout virus ou toute bactérie entrant à son contact. Le scientifique veut que l'échantillon soit transmis à son homologue Suisse, le docteur Leisenauer, afin qu'un vaccin puisse être mis au point. Krause met en garde les Américains sur le fait que le virus est la plus terrible des armes bactériologiques, un monstre qui, s'il était libéré à l'air libre, mènerait de façon certaine à une extinction totale de toutes les espèces animales. Malheureusement, les Américains sont en fait des agents secrets dont le seul but est de récupérer l'échantillon qui a été volé un an plus tôt dans un laboratoire américain. Sortis sains et saufs d'une attaque par des soldats Est-Allemands (où le Dr. Krause est tué), ils emportent à bord d'un avion le virus. Mais pris dans une tempête, l'avion s'écrase, la capsule étanche contenant le virus se brise et le MM.8.08 est libéré.
La disparition de l'échantillon inquiète le Dr. Meyer (Stuart Gillard), qui veut informer le président du danger que le MM.8.08 représente. Le virus, bien qu'inhibé au-dessous de -10°C, a la capacité de se multiplier de façon exponentielle lorsqu'il est mis en température ambiante, et sa nature très contagieuse et agressive le rendrait incontrolable en quelques jours. Mais pour l'empêcher de divulguer que cette arme bactériologique demandée par le gouvernement a été volée et est portée manquante, Meyer est interné.
Quelques semaines plus tard, le monde entier est en prise avec une pandémie effroyable appelée "grippe italienne". Tous les gouvernements des cinq continents ne peuvent que constater les ravages de la maladie, qui tue par millions. À ce stade, le Sénateur Barkley (Robert Vaughn) et le Dr. Meyer informent le président américain Richardson (Glenn Ford) que la grippe italienne est en fait le MM.8.08, dont la conception et surtout le vol d'échantillon lui avait été caché. Mais il est déjà bien trop tard pour mettre au point un vaccin et enrayer la propagation du virus. Peu avant de mourir, le président contacte la station américaine Palmer en Antarctique, qui ne semble pas avoir été atteinte par le virus, celui-ci étant inihibé par le froid. Seul espoir de l'espèce humaine, Richardson recommande de ne laisser personne de l'extérieur pénétrer leur sanctuaire, et de s'organiser au mieux pour prendre un nouveau départ. Ils seront les seuls garants de l'espèce humaine et de son héritage. Avant de mourir à son tour, le Général Garland (Henry Silva), lors d'un accès de paranoïa, active contre l'avis du président Richardson le système de défense ARS (Automated Reaction System), qui a pour but de déclencher l'arsenal nucléaire américain en cas d'attaque.
En moins de sept mois, la totalité de la population a disparu, à l'exception de 863 scientifiques de nationalités diverses et leur personnel qui ont survécu dans leurs bases en Antarctique, dont la station américaine Palmer. L'hiver polaire a finalement épargné ces 855 hommes et seulement 8 femmes stationnés sur le continent polaire sud. Le Nereid, qui était en mer avant l'arrivée de l'épidémie, rejoint les survivants de la base après avoir coulé un sous-marin soviétique, dont l'équipage infecté voulait faire escale près de la station Palmer, ce qui aurait condamné les seuls survivants de l'humanité.
Ces survivants, entre autres l'Amiral Conway (George Kennedy), le Dr. Borodinov (Chris Wiggins), le Dr. Nakanishi (Isao Natsuyagi), le Capitaine Lopez (Edward James Olmos), et le Dr. Latour forment un gouvernement pour faire face à la réalité de leur situation ainsi qu'au problème de la survie de l'espèce humaine, bien difficile à gérer avec des centaines d'hommes pour seulement huit femmes. Le film fait un cercle complet lorsque le Nereid, sous la bannière du Conseil Fédéral de l'Antarctique, entre dans la baie de Tokyo en décembre 1983.
Au moment où le groupe de survivants commence à repeupler leur nouvelle Arche de Noë, Yoshizumi découvre que les forages pétroliers en Atlantique vont provoquer un tremblement de terre qui va secouer la côte Est des États-Unis. Ce séisme qui aurait pu paraître inoffensif pour une base polaire située à des milliers de kilomètres du continent américain, est en fait catastrophique. En effet, selon les scientifiques, le tremblement de terre serait suffisamment violent pour que l'ARS déclenché par le Général Garland l'interprète comme une explosion nucléaire, et lance ses missiles sur le territoire soviétique. Les Soviétiques ayant eux-mêmes leur propre version de l'ARS, la riposte serait immédiate, et les missiles russes seraient lancés à leur tour sur leurs cibles américaines. Là encore, aucun danger apparent pour les survivants, puisque l'Antarctique est suffisamment loin des États-Unis et de l'U.R.S.S. Sauf que les Russes, ayant la certitude que les Américains possèdent une base au Pôle Sud, ont fait pointer également leurs missiles... sur la station Palmer ! Yoshizumi et le Major Carter (Bo Svenson) embarquent à bord du Nereid pour la mission de la dernière chance : retourner à Washington pour désactiver l'ARS avant que le tremblement de terre ne se produise. Avant leur départ, le Dr. Latour leur procure un prototype expérimental de vaccin qu'il a mis au point sans pouvoir le tester, qu'ils devront s'inoculer avant de débarquer sur le sol contaminé.
Le sous-marin arrive à Washington D.C., et Yoshizumi et Carter entament leur course contre la montre vers le bunker situé sous la Maison-Blanche. Ils atteignent la salle de commande de l'ARS trop tard, le Major Carter périt sous un effondrement, et finalement, les missiles américains décollent en direction de l'Union Soviétique. S'en suit une riposte russe, qui balaye de la carte toutes les grandes villes américaines, ainsi que tous les survivants de la base polaire, exceptés quelques hommes et femmes (qui avaient quitté par précaution la base à bord d'un brise-glace en même temps que le Nereid).
Après un long trekking d'environ deux ans à travers la Cordillère des Andes pour rejoindre l'Antarctique, Yoshizumi a survécu, seul, protégé par le vaccin du Dr. Latour qui est un succès. Lorsqu'il atteint la Terre de Feu, il rencontre les quelques derniers survivants du brise-glace, dont Marit (Olivia Hussey), une veuve norvégienne dont il était tombé amoureux, après que sa compagne enceinte de lui a succombé à Tokyo des ravages de l'épidémie.