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한국 최초의 핵 잠수함, 유령, 한반도의 운명을 결정한다.
해군 엘리트 장교 이찬석(정우성 분)은 제 14차 한미합동 훈련 중 함장 이태준을 살해한 죄로 군법재판에서 사형을 언도받고 총살형에 처해진다.그러나 죽지 않고 병상에서 깨어난 그의 눈앞에는 202(최민수 분)라는 번호표를 단 장교가 찬석의 가족사진을 태우고 나간다. 그리고 죽음과 승선중 하나를 택하라는 제의를 한다.
미사일 유니트로 배치된 찬석은 같은 유니트 432(설경구 분)로부터 '유령'이 구 소련의 차관 대신 받아들인 시에라급 핵잠수함으로 일본의 핵잠수함 개발에 대응하기 위해 마련된 것이라는 사실을 듣는다. 잠수함 '유령'에 관한 모든 것은 일체 비밀에 붙여져 있다. 핵자수함 '유령'의 승조원들은 모두 지상에서 신원이 사라진 사람들이다. 이전의 기록들은 모두 말소되었으며, 함내에서 개인적인것들은 언급하지 못할 뿐 아니라 이름조차 사용할 수 없다. 그들은 단지 번호로 불릴 뿐이다.
함장은 이번 작전의 구체적인 임무를 장교들에게조차 말하지 않는다. 장교식당에 모인 부함장과 장교들은 이번 작전에 의구심을 표명하고 찬석은 분위기가 예사롭지 않음을 느낀다. 일본 영해로 진입하기 직전, 찬석은 함장의 방으로 불려가 그에게서 핵미사일 발사기를 받는다. 이해할 수 없는 함장의 행동에 당황하는 찬석. 한편 부함장 202는 이미 계획된 대로 자신을 따르는 장교들을 중심으로 반란을 일으킨다.