JAMSTEC（海洋研究開発機構）の新人・天谷深雪（有村架純）は有人潜水調査船「しんかい6500」（6K）のパイロットを目指していた。亡き父・厚志（時任三郎）もパイロットで、命を懸けて「深海の宇宙」と呼ばれる現象の解明に挑んでいたが、志半ばで病死。深雪も「深海の宇宙」の探索を目標としていた。そんな折、厚志のかつての友人・石堂（遠藤憲一）が新理事長となり急激な組織改革を始め、深雪の夢をも否定する。
JAMSTECの広報活動の一環としてパイロットに抜擢された深雪。だが出航直前に、父のロッカーにあるビデオテープから謎の映像を発見してしまう。それは6Kが深海で忌まわしいトラブルに襲われた映像であり、亡き父も映っていた。動揺する深雪を乗せ、研究船よこすかは出航する。そのころ石堂は、資源分野以外の研究を切り捨て始める。あまりの苛烈な改革に反発する研究者たち。一方深雪は、ついに6Kに乗り深海に臨むが…。
深雪が見つけたビデオテープは父が命を落とした10年前の6K潜航時の映像だった。しかもそれは公の記録に残っていない「消された潜航」だった。なぜ、病死したはずの父が潜航していたのか、なぜ隠蔽されたのか、6K内で起きたトラブルはなんなのか？ 一方、石堂と国海重機の陣内（竹中直人）は研究者を次々に解雇していく。性急な改革に深雪と高峰（井上芳雄）は石堂に対して疑念を抱くが、やがて高峰も解雇対象とされ…。
10年前の「消された潜航」に厚志と乗船していたのは潜航長・神尾（筒井道隆）と当時研究者だった石堂だった。深雪と高峰に問い詰められた神尾は、すべての真相を語り始める。その潜航は石堂、陣内、そして国会議員の菊屋（浜田晃）によって隠蔽されたものだった。潜航ポイントは、今は進入禁止になっている南海トラフの大規模泥火山だった。そこは、亡き父・厚志が追い続けた「深海の宇宙」がかつて発見された場所でもあった…。
10年前の「消された潜航」とは、墜落した米軍の軍用機の調査潜航だった。すべてを知った深雪は石堂に公表を迫るが、石堂はかたくなに拒否し、6Kの廃船を決定する。JAMSTECを資源に特化した団体とし、潜水船を全て資源掘削機に変えようと言うのだ。このままでは父が愛した6Kも守れず、「深海の宇宙」にもたどり着けない。深雪、高峰そして広報の正田（板谷由夏）は、石堂の決定にあらがうべくあらゆる行動に出るが…。
高峰たちの努力により「深海の宇宙」の存在が証明され始めた。石堂は深雪の強い決意を受け、「深海の宇宙」の調査を許可する。そんな時、厚志が6Kで病死し、JAMSTECがそれを隠した事実がマスコミにリークされる。それは軍用機調査を知られたくない菊屋と陣内の妨害工作だった。マスコミが騒ぎ立てる中、深雪と高峰は「深海の宇宙」にたどり着くために、石堂はJAMSTECを守るために闘い始めるが……。
