Грузовой состав, перевозящий химические отходы, внезапно теряет управление на горных перегонах — и это лишь начало катастрофы. Среди контейнеров контрабандисты прячут похищенную российскую ядерную боеголовку, о существовании которой никто из машинистов не подозревает. «Атомный поезд» строит сюжет вокруг гонки со временем: неуправляемый состав мчится прямиком к Денверу, крупному американскому городу, и каждая минута приближает город к трагедии.
Федеральный агент-спасатель Джон Сигер берётся за почти невыполнимую задачу — остановить обезумевший локомотив прежде, чем он достигнет жилых кварталов. Ставки для героя личные: среди тех, кому грозит опасность, — его собственная семья, вынужденная вместе с остальными горожанами готовиться к срочной эвакуации.
Картина держится на классической для телевизионных катастроф-триллеров девяностых схеме: технические детали разрядки боеголовки, паника в городе и постоянно сокращающийся запас времени. Разрушения нарастают по мере приближения поезда к цели, а у спасателей остаётся лишь один шанс предотвратить масштабную трагедию.