Mathieu Vasseur (Pierre Niney) est un agent du Bureau d'enquêtes et d'analyses pour la sécurité de l'aviation civile (BEA). Ingénieur en aéronautique diplômé de l'ENAC, il est marié à Noémie (Lou de Laage), qui travaille elle aussi dans l'aéronautique où elle poursuit une brillante carrière. Le BEA est chargé d'enquêter sur un accident aérien exceptionnel et sans précédent : l'écrasement d'un vol Dubaï-Paris à Bellevaux, en Haute-Savoie. 300 personnes et 16 membres d'équipage étaient à bord de l'avion, un Atrian-800, nouveau long courrier de la compagnie European Airlines ; aucun n'a survécu à l'accident et les raisons de la catastrophe sont inconnues. Le BEA analyse alors minutieusement les boîtes noires de l'appareil dans ses locaux de l'aéroport du Bourget. D'abord mis sur la touche par son supérieur hiérarchique Victor Pollock (Olivier Rabourdin), Mathieu récupère la mission après la disparition mystérieuse de ce dernier, au tout début de l'enquête.
Dans un premier temps, l'écoute du Cockpit Voice Recorder (CVR) — qui enregistre les communications radio, les voix et le bruit d’ambiance dans le cockpit — l'amène à conclure à l'irruption d'un terroriste islamique ayant entraîné la chute de l'appareil. Cette analyse ne le satisfait pas, certains détails l'amènent à chercher une autre cause d'accident. Il envisage d'abord l'hypothèse d'une défaillance technique de l'appareil. Pour accréditer cette hypothèse, il dérobe un rapport technique confidentiel dans l'ordinateur de son épouse, brisant la carrière de cette dernière et provoquant la rupture de leur couple. Sa forte implication dans cette enquête met également sa santé mentale en danger. Son supérieur hiérarchique et ses collègues ne le soutiennent pas non plus dans ses démarches ; sa situation professionnelle se détériore et provoque sa mutation disciplinaire.
Une hypothèse nouvelle vient à son esprit, suscitée par des interférences étranges présentes sur l'enregistrement : celle d'un hacking des réseaux informatiques de l'avion. Il soupçonne Xavier Renaud (Sébastien Pouderoux), dirigeant de la société Pegase Security qui conçoit ces systèmes informatiques, d'avoir comploté avec Victor Pollock pour masquer la vérité et pour préserver sa société. Il contacte Caroline Delmas (Anne Azoulay), une journaliste de Mediapart qui enquête sur l'accident. Elle refuse de faire un article, estimant qu'il n'a pas assez d'éléments probants et qu'il a déjà fait des analyses fausses d'enregistrements. Elle lui parle de David Keller, un chercheur en sécurité informatique qui a déjà essayé de prendre le contrôle d'avions. Mathieu croit le reconnaître dans des vidéos postées par des passagers pendant le vol sur des réseaux sociaux. L'accident pourrait provenir d'une tentative de hacking ayant mal tourné.
Avant de quitter son poste au BEA, il se rend compte que les enregistrements audio d'un accident d'hélicoptère sur lequel il travaillait juste avant l'écrasement ont été modifiés par Victor Pollock, après l'heure de la disparition de celui-ci. En les réécoutant attentivement, il distingue une série de chiffres, qui lui révèle des coordonnées GPS. Ces indications l'amènent à un étang, au fond duquel il trouve le véritable enregistrement de la boîte noire de l'avion. Son hypothèse de hacking ayant mal tourné est ainsi confirmée. L'enregistrement de vol est suivi par une vidéo de Victor Pollock, qui explique qu'il travaille secrètement depuis plusieurs années pour Xavier Renaud, qui l'a forcé à falsifier les boîtes noires. Mathieu a tout juste le temps d'envoyer l'enregistrement à Noémie par transfert en ligne avant d'être repéré. Poursuivi par deux hommes, il prend la fuite et meurt dans un accident de voiture provoqué par un piratage du système électronique de son véhicule.
Au Salon aéronautique du Bourget, Xavier Renaud entame une présentation publique au nom de sa société. Noémie en profite pour diffuser publiquement l'enregistrement de la confession de Victor Pollock et l'information de la falsification des boîtes noires. Xavier Renaud est arrêté sur le champ.