Timofey arbejder på et nedslidt russisk atomkraftværk i skyggen af Sovjetunionens sammenbrud. En dag bliver han udsat for en dødelig mængde stråling, og da myndighederne skjuler hændelsen og nægter at hjælpe, tager han selv affære. I et desperat forsøg på at sikre sin familie efter sin død stjæler han en smule plutonium-239 og drager til Moskva på jagt efter en køber. Her konfronteres han med det nye Ruslands underverden og sammen med den uduelige wannabe-gangster Shiv forsøger han at sælge det farlige stof på det sorte marked. Pu-239 er en gribende thriller med et strejf af sort humor.
