Durante una serie de simulacros de ataque nuclear por sorpresa, un porcentaje significativo de los controladores del Ala de Misiles Estratégicos de las Fuerzas Aéreas de Estados Unidos se muestra reacio a cumplir las órdenes de lanzamiento de misiles. Estos resultados convencen a John McKittrick, jefe del equipo de ingeniería de sistemas del NORAD, de que los centros de control de lanzamiento deben estar totalmente automatizados y no requerir ninguna intervención humana. El control se otorga a un superordenador del NORAD conocido como WOPR (War Operation Plan Response, pronunciado "whopper"), programado para realizar continuamente simulaciones de guerra y aprender con el tiempo.

David Lightman, un brillante pero desmotivado estudiante de secundaria de Seattle y hacker, utiliza su ordenador IMSAI 8080 para acceder al sistema informático del distrito escolar y cambiar sus notas. Hace lo mismo con su amiga y compañera de clase Jennifer Mack. Más tarde, mientras marca números en Sunnyvale, California, para encontrar una empresa de juegos de ordenador, se conecta con un sistema que no se identifica. Accede a una lista de juegos que comienza con el ajedrez, las damas, el backgammon y el póquer, así como a títulos como "Guerra biotóxica y química en todo el mundo" y "Guerra termonuclear global", pero no puede seguir adelante sin una contraseña. Dos amigos hackers le explican el concepto de contraseña de puerta trasera y le sugieren que busque al Falken mencionado en "El laberinto de Falken", el primer juego de la lista. Al descubrir que su creador fue Stephen Falken, uno de los primeros investigadores de inteligencia artificial, David es capaz de adivinar la contraseña: el nombre del hijo fallecido de Falken, Joshua.

Sin saber que el número de teléfono de Sunnyvale conecta con el WOPR del Complejo de Cheyenne Mountain, David inicia una partida de Guerra Termonuclear Global, jugando como la Unión Soviética y apuntando a las ciudades estadounidenses. El ordenador inicia una simulación que convence brevemente al personal militar del NORAD de que se acercan misiles nucleares soviéticos reales. Mientras desactivan la situación, el WOPR continúa la simulación para desencadenar el escenario y ganar el juego, ya que no entiende la diferencia entre la realidad y la simulación. Continuamente alimenta datos falsos sobre el despliegue militar soviético al NORAD, empujándolos a escalar el nivel de DEFCON hacia una represalia que iniciará la Tercera Guerra Mundial.

David se entera de la verdadera naturaleza de sus acciones a través de un telediario, y los agentes especiales del FBI le detienen y le llevan al NORAD. Se da cuenta de que el WOPR está detrás de las alertas del NORAD, pero no logra convencer a McKittrick, que cree que está trabajando para los soviéticos. Cuando le dicen que será acusado de espionaje, David escapa del NORAD uniéndose a un grupo de turistas y, con la ayuda de Jennifer, viaja a una isla de Oregón donde Falken vive bajo un nombre falso. David y Jennifer descubren que Falken se ha abatido, creyendo que la guerra nuclear es inevitable y tan inútil como una partida de tres en raya entre dos jugadores experimentados. Los adolescentes convencen a Falken de que debe volver al NORAD para detener al WOPR.

El WOPR organiza un primer ataque masivo soviético con cientos de misiles, submarinos y bombarderos. Creyendo que el ataque es auténtico, el NORAD se prepara para tomar represalias. Falken, David y Jennifer persuaden a los oficiales militares para que cancelen un segundo ataque previsto y aguanten el ataque. Cuando las bases americanas a las que se dirige el ataque no informan de ataques o bajas enemigas, el NORAD intenta cancelar el ataque pero no puede, ya que los cambios en el programa han sido bloqueados. El WOPR inicia un ataque de fuerza bruta para obtener los códigos de lanzamiento de misiles, con la intención de llevar a cabo el ataque por sí mismo, ya que los humanos ya no están en los centros de control para aplicar la regla de los dos hombres. Todos los intentos de conectarse y ordenar al WOPR que cancele la cuenta atrás fracasan. El personal descarta la idea de desconectarlo, ya que los ordenadores de los silos llevarían a cabo sus últimas instrucciones y el lanzamiento, lo que daría lugar a una situación mortal y al inicio de la Tercera Guerra Mundial.

Falken y David hacen que el ordenador juegue al tres en raya contra sí mismo. Esto da lugar a una larga serie de empates, lo que obliga al ordenador a aprender el concepto de inutilidad y de escenarios sin salida. El WOPR obtiene los códigos de lanzamiento, pero antes de lanzarlos, recorre todos los escenarios de guerra nuclear que ha ideado, descubriendo que todos ellos conducen a la aniquilación de la humanidad. Al cerrar la simulación, el WOPR informa a Falken de su conclusión sobre la guerra nuclear: "Un juego extraño. La única jugada ganadora es no jugar". Renuncia al control del NORAD y de los misiles y pregunta: "¿Qué tal una buena partida de ajedrez?".