Сошедший с ума американский генерал Джек Д. Риппер без согласования с правительством отдаёт приказ о массированной ядерной атаке Советского Союза. Поскольку он единственный, кто знает коды отзыва бомбардировщиков, генералу приходится забаррикадироваться на военной базе, не слушая просьб отменить атаку. В это время пацифистски настроенный президент США с советниками пытается найти выход из сложившейся катастрофической ситуации. Связавшись с представителями СССР, Маффли узнаёт, что Советский Союз обладает исключительно мощным оружием – Машиной Судного дня, способной уничтожить всё живое на планете. Стратегический эксперт доктор Стрейджлав поясняет собранию, что противостоять Машине невозможно, поскольку устройство считается идеально эффективным.
База Риппера подвергается атаке правительственных войск, но генерал убеждает подчинённых, что их атакуют переодетые русские. В итоге Рипперу приходится совершить самоубийство. Поскольку никому не известны коды отзыва бомбардировщиков, подчинённый генерала Мандрейк пытается разгадать этот код, используя секретные документы.
В это время СССР сбивает все американские самолёты, кроме одного – под управлением майора Конга. Экипажу удаётся добраться до цели и в отсутствие сигнала отмены атаки сбрасывать бомбу, но у самолёта заклинивает бомболюк. Майор Конг, сидя на бомбе, как ковбой на лошади, чинит сломанный механизм и выпадает из люка верхом на ядерной боеголовке.
Катастрофа неизбежна, и Стрейджлав предлагает спрятать самых лучших представителей из людей в подземных убежищах, чтобы после окончания атомного заражения они смогли восстановить людской род на земле. В это время срабатывает Машина Судного дня, и по всей планете растут грибки от ядерных взрывов.
Отзывы