Действие фильма разворачивается в шестидесятых годах XX века в СССР. Молодой ученый-математик Владимир Белов участвует в разработке нового вида оружия в одном из секретных НИИ Оборонного ведомства. По расчетам Белова создается новый тип вооружений, который проходит испытание на военном полигоне. Но при проведении испытаний погибают два солдата. Белов винит себя в случившемся и едет на место происшествия, чтобы разобраться в причинах катастрофы. «Прямая линия» — советская драма по мотивам одноименной повети Владимира Маканина.