Em um bar de aeroporto, um viajante internacional coloca a mão na tigela de salgadinhos antes de entregar seu cartão de crédito ao garçom. Uma reunião de negócios começa com uma rodada de apertos de mãos. E um vírus mortal é transmitido. Quando Beth Emhoff (Gwyneth Paltrow) retorna a Minneapolis após uma viagem de negócios em Hong Kong, aquilo que ela imaginava ser o efeito do fuso horário toma um rumo inesperado. Dois dias mais tarde, ela morre em um pronto socorro. Os médicos dão a notícia à família e ao marido em estado de choque e dizem que não têm ideia da causa da morte. Em seguida, outras pessoas passam a exibir os mesmos sintomas misteriosos: tosse seca e febre, seguida de convulções, hemorragia cerebral e, por fim, morte.

Em Minneapolis, Chicago, Londres, Paris, Tóquio e Hong Kong os números rapidamente se multiplicam: um caso vira quatro, depois dezesseis, centenas, milhares enquanto o contágio varre todas as fronteiras, alimentado pelas inúmeras interações feitas pelos seres humanos no curso da vida diária. Explode uma pandemia mundial. Nos Centros de Controle e Prevenção de Doenças nos Estados Unidos, os pesquisadores tentam decifrar o código biológico único do patógeno, enquanto ele continua a se modificar.

O Vice-Diretor Cheever (Laurence Fishburne) tenta administrar a situação de pânico a despeito das suas próprias preocupações e, mesmo assim, tem de enviar uma jovem e corajosa médica (Kate Winslet) para enfrentar o perigo. Enquanto isso, em meio a uma onda de suspeitas sobre uma vacina em potencial - e sobre quem deve recebê-la primeiro - a Dra. Leonora Orantes (Marion Cotillard), da Organização Mundial da Saúde, trabalha com uma rede de conexões que pode levá-la à fonte do problema que estão enfrentando. Em uma sociedade que desfalece enquanto o número de mortes cresce e as pessoas lutam para proteger a si e àqueles que amam, um blogueiro e ativista (Jude Law) alega que o público não está recebendo toda a verdade sobre o que está de fato acontecendo, e com isso dá inícia a uma paranoia sobre epidemia e medo tão infecciosa quanto o próprio vírus.