Le film retrace l'histoire du Projet Manhattan à partir de la création du site de Los Alamos et jusqu'à la fin de la Seconde Guerre mondiale. Il porte principalement sur les conflits entre le responsable militaire, le général Leslie Richard Groves, et le directeur scientifique, Robert Oppenheimer.
L'équipage d'un bateau de pêche japonais, le Eikō-Maru, est frappé par un éclair de lumière qui semble jaillir de l'océan, près de l' île Odo. Un message de détresse est envoyé juste avant que le bateau ne sombre. Un bateau de sauvetage, le Bingo-Maru, est envoyé pour enquêter sur l'accident, mais rencontre le même sort. Un deuxième bateau de recherche est envoyé et trouve quelques survivants dans la zone, et comme les deux autres bateaux, fait naufrage.
1954, Nouveau-Mexique. Le shérif Peterson et son adjoint Ed Blackburn sont témoins de morts étranges et inexpliquées dans le désert. Ils ne tardent pas à découvrir qu'une colonie de fourmis géantes, issues d'une mutation génétique consécutive à des essais nucléaires de l'armée américaine neuf ans plus tôt, en 1945, menace d'envahir le pays…
1954. La communauté de Linda Rosa, en Californie, est marquée par la chute d'une météorite, provoquant un début de feu de forêt dans les environs de la localité. Une fois l'incendie contenu, le corps céleste est retrouvé, mais il est radioactif et trop chaud pour être examiné. Le shérif laisse trois hommes garder le cratère. Ils seront confrontés à une intelligence d'origine extraterrestre qui n'est pas portée sur la discussion...
Des mineurs sont attaqués dans un chantier près du Mont Aso. Les policiers envoyés les chercher sont retrouvés déchiquetés. On identifie les coupables : des Meganulons, des larves de libellules préhistoriques géantes. Un des mineurs est retrouvé amnésique et en état de choc ; il déclare avoir vu un œuf géant éclore dans les mines. Quelque temps plus tard des avions sont détruits par un mystérieux objet volant...
Une nuit, après un rendez-vous raté avec la femme de sa vie, un homme reçoit dans une cabine téléphonique l'appel désespéré d'un jeune militaire qui tente de joindre son père et qui lui apprend, affolé, que des missiles nucléaires vont s'abattre sur Los Angeles dans 1 heure et 10 minutes.
Une catastrophe nucléaire mondiale survient lors de l'anniversaire d'un vieux comédien. Celui-ci fait le vœu à Dieu de renoncer à ce qu'il a de plus cher si tout redevient comme avant. Le facteur, collectionneur étrange passionné de Nietzsche, enjoint le comédien d'aller passer la nuit avec leur bonne qui est aussi sorcière et réussira à annuler la destruction du monde. Le comédien passe la nuit avec la bonne, son vœu est exaucé. À son réveil, il incendie sa maison et il est interné dans un asile.
Ralph Burton, un mineur afro-américain, inspecte seul une mine en Pennsylvanie lorsqu'un éboulement se produit, le piégeant sous terre. Les secours ne tardent pas à creuser dans sa direction, mais au fur et à mesure que les jours passent, les secours ralentissent puis arrêtent définitivement de creuser. Paniqué, il se met à creuser de son côté. Une fois arrivé à la surface, il se retrouve dans un monde dévasté. Dans le bureau principal de la mine, il découvre l'horrible vérité grâce à deux journaux titrant « U.N. retaliates for use of atomic poison » (littéralement Les Nations Unies se vengent à la suite de l'utilisation du poison atomique) et « Millions flee from cities! End of the world » (littéralement Des millions de gens fuient les villes! C'est la fin du monde.). Ne trouvant personne dans sa ville, Ralph décide d'aller à New York. Mais là non plus, il n'y a personne. Dans une station de radio, des enregistrements lui apprennent qu'il y a bien eu une guerre nucléaire totale et que l'arme utilisée est une poussière d'isotopes radioactifs qui devient inoffensive au-delà de 5 jours.
Le monde a été détruit par une guerre nucléaire.
Tony Lamont et Ruby, pris dans une tempête de poussière, tentent d'atteindre le ranch, isolé, de Rick et Louise Maddison.
Lors de la campagne électorale de 2008 en vue de sa réélection pour son deuxième mandat, le président des États-Unis Walter Emerson se retrouve obligé de se réfugier dans un snack au Colorado à cause d'une tempête de neige.
Partant d'une uchronie où l'URSS met fin à la guerre froide par divers bombardements nucléaires sur les États-Unis, la réduisant à l'état de désert où traînent encore quelques radiations. L'Armée rouge a pris le contrôle des ruines, et les quelques survivants survivent tant bien que mal. Lost Vegas est la dernière cité encore debout et est dirigé par Elvis, dernière autorité connue et King du rock 'n' roll. Mais voilà, la radio annonce qu'après des années de règne, le King est mort. Les guitaristes survivants convergent alors tous vers Lost Vegas pour prétendre à la couronne. Buddy (sosie de Buddy Holly), adulte asocial, s'engage lui aussi dans l'aventure, armé de sa caisse creuse et de son vieux katana. Il se fait accompagner par un enfant. Mais la traversée du désert est longue et la Mort pourchasse les éventuels successeurs du King pour instaurer le règne du heavy metal. Finalement, la Mort rattrape Buddy et le tue. L'enfant tue à son tour la Mort, il revête les vêtements de Buddy et continue le chemin vers Lost Vegas.