1984年11月，苏联正处于戈尔巴乔夫上台前夕，也是美、苏两个超级大国明争暗斗的冷战高潮时期。
苏联研制了一艘新型核潜艇“红十月号”，并派老练的雷米斯负责该艇的首次试航演习。此时，美国中央情报局也获取了有关“红十月”号的情报。
途中，艇长雷米斯杀死了发现他隐私的专横政委并命令潜艇改变航向。他向全体官兵声称此举是要利用该艇先进的无声推进系统去通过美国海军的监视网并纵情游览美国的海岸线。美军潜艇“达拉斯号”无法追踪“红十月”，这使美国十分惊恐，以为这是一场偷袭。在秘密会议上，中情局情报员黎博士大胆地认为雷米斯率舰改变航向是有意变节而投奔美国。于是，中情局给黎三天时间，要他在此间争取与雷米斯联系上，否则就将歼灭“红十月”号。
“红十月”核潜艇上，雷米斯召开军佐会议，表明打算变节。这时，苏方也认为“红十月”已投降美国而派出了大批舰艇开始搜寻着“红十月”，而美军的舰艇也时时探测发现了该艇。宁为玉碎的苏方向“红十月”发射了鱼雷弹，而此刻，“红十月”内又出现了潜伏奸细的破坏。
黎冒着危险来到美方潜艇“达拉斯”号里，在获知雷米斯此行的目的是向美国发射飞弹的所谓情报后，坚持认为这是苏方想借用美军之手来消灭“红十月”的阴谋。在用信号灯进行了短暂的联系后，“红十月”号突然南逃。不久，因换气系统出了故障而浮出水面的“红十月”被美军驱逐舰追上。美军发射并自我引爆了鱼雷并假称击沉了“红十月”试图来欺骗苏方。其后，美方潜艇派小艇载着黎等人进入“红十月”号与雷米斯谈判，雷米斯要求美国的庇护。
苏方再次向“红十月”发射鱼雷，雷米斯命令潜艇迎着鱼雷驶去而使鱼雷因距离过近而难以引爆。这时，奸细又在进行破坏，在又一枚鱼雷来临之前，黎终于发现并击毙了潜伏的奸细。老道的雷米斯引诱苏方鱼雷绕道击沉了自己的潜艇。最终，“红色十月”号驶入了美国的港湾……