Le 15 avril 2019, un violent incendie accidentel se déclare dans la charpente de la cathédrale Notre-Dame de Paris. Le film reconstitue heure par heure le déroulement invraisemblable de cette catastrophe, des premiers signaux d'alerte ignorés jusqu'à la mobilisation de centaines de pompiers luttant pour sauver l'édifice. À travers les regards croisés de gardiens, de religieux, de militaires et de sauveteurs anonymes, Notre-Dame brûle retrace la nuit où Paris et le monde entier ont retenu leur souffle face à la possible destruction d'un monument huit fois centenaire.