幻影计划的故事发生在二战后的冷战时期。古巴危机令美苏两大强国关系剑拔弩张，而1968年5月发生的一起事件，更让这场危机濒临一触即发。刚结束漫长航行、原本准备退休的海军舰长迪米（艾德·哈里斯饰）奉命立即执行最后一次巡航。这次他驾驶的，是一艘退役后即将出售给中国的弹道导弹潜艇B-67。航行途中，来自克格勃的布鲁尼（大卫·杜楚尼饰）登艇随行，并负责测试一套全新的设备。
迪米原以为这只是退休前的一次纪念之旅，却没想到布鲁尼和神秘的“幻影计划”正将潜艇全体官兵，乃至全世界的命运推向险境。等他察觉其中隐藏的真相时，一切似乎已经太迟……
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