Kampen om tungtvannet følger sabotasjeaksjonen og beskriver bakgrunnen for hva som skjedde på Rjukan i krigsårene. Den tar for seg historien om den tyske nobelprisvinner i fysikk, Werner Heisenberg, som får i oppgave å utvikle atombomben for nazistene. Videre følger vi Leif Tronstad, kjemiprofessoren og majoren, som med sin kunnskap om kjernefysikk og tungtvannsproduksjonen ved Rjukan, var sentral i å advare de allierte og å planlegge sabotasjeaksjonene. Samtidig får vi historien om de ni mest sentrale sabotørene som gjennomførte aksjonene, og om Norsk Hydro som produserte tungtvannet for tyskerne