Historien i Kampen om det tunge vand udspiller sig i løbet af optakten, udbruddet og afslutningen af 2. Verdenskrig. Vi følger de centrale kampe om, hvem der først får udviklet atomvåben. Den tyske nobelprisvinder i fysik, Werner Heisenberg, får til opgave at udvikle atombomben for nazisterne og har brug for tungt vand, som kun fremstilles af Norsk Hydro ved Vemork, til reaktoren han skal bygge.
