1986. Skuespillerinden Julianna og officeren Leonid lever i atombyen Prypjat tæt ved Tjernobyl i det nordlige Ukraine. De har alt, hvad gode sovjetborgere kan drømme om. En toværelses lejlighed, en Lada, telefon, eget køleskab og butikker med fyldte kølediske.

Kommissær Koso arbejder for KGB. Koso har i 15 år jaget en bestialsk morder kendt under navnet Kannibalen. En svær opgave i et system, der ikke anerkender begrebet seriemorder, og hvor staten aldrig tager fejl.

Da Tjernobyl-atomkraftværket eksploderer, bliver Kannibalen afbrudt i sit mordritual. Koso flyver til Prypjat og udnytter til fulde, at staten har afspærret området og omringet Kannibalen, og han har ingen skrupler ved at udnytte den stigende desperation til at opnå sine egne mål.

I 2016 er Ukraine et selvstændigt land og i krig med Sovjetunionens gamle magtcentral Rusland. Da der bliver begået et mord med Kannibalens bestialske modus, må de gamle venner og fjenders veje igen krydses.

I Mordet ved Tjernobyl fletter begivenheder fra Sovjetunionens velmagtsdage og forfaldsperiode sig sammen med Ukraines nyere historie, når Leonid, Koso og Kannibalen forsøger at rense ud i fortidens spøgelser.