Deux psychotiques haut gradés de l'armée américaine, Jack D. Ripper (Sterling Hayden) commandant de l'armée de l'Air et Joint Chiefs of Staff, général "Buck" Turgidson (George C. Scott), déclenchent une série d'incidents politiques et militaires. Ils ont un plan machiavélique, infaillible et irréversible aboutissant à l'envoi d'une escadre de B-52 bombarder atomiquement des cibles stratégiques en Russie. Le cerveau de l'opération et physicien nucléaire en fauteuil en roulant avec de drôles d'idées sur l'avenir de l'humanité, Dr Strangelove (Peter Sellers), lance par erreur l’ordre de bombarder. Le président des Etats-Unis (Peter Sellers) est incapable de l'arrêter. Le major Mandrake (Peter Sellers) de l'armée de l'Air est incapable d'utiliser les codes servant à mettre fin à la mission car sa base aérienne est attaquée par une unité de parachutistes américains envoyés eux aussi par erreur. Malgré tous les efforts pour le rappeler, le major T. J. "King" Kong (Slim Pickens) porte le bombardement à sa conclusion tragique. L'ambassadeur russe (Peter Bull) est même dépêché à la Maison Blanche dans l'espoir de dénouer la crise et empêcher l'activation de la machine "Doomsday". Mais l'inévitable est en route et les efforts des hauts gradés et de tous les politiques à Moscou et à Washington ne pourront pas enrayer l'enchaînement en cascade d'événements cataclysmiques.