Kiew, September 1941. Das Ehepaar Sascha und Natalja Lerner (Evklidis Kiourtzidis Kyriakos, Barbara de Rossi) lebt mit Saschas Vater Genadij (Michael Degen) und den drei Kindern in einer Doppelhaushälfte am Rand von Kiew. Sascha, der vor dem Krieg als Filmkomponist gearbeitet hatte, liegt mit zwei bei einem Angriff der Deutschen zerschossenen Beinen im Krankenhaus. Seine Frau Natalja, eine ausgebildete Bibliothekarin, besucht ihn jeden Tag.

In der anderen Haushälfte wohnen Gleb und Lena Onufrienko (Anatolij Guriev, Katrin Saß) mit ihrer achtzehnjährigen Tochter Helena (Marina Densiova) und dem drei Jahre jüngeren Sohn Stepan (Gleb Porschnew). Die beiden Familien sind seit zwanzig Jahren befreundet. Dass Genadij und sein Sohn Sascha Juden sind, hat nie eine Rolle gespielt.

Durch die Bombenabwürfe der Deutschen sind auch die Fische im Fluss getötet worden. Stepan holt zwei Eimer voll Fische aus dem Wasser und schwimmt dann noch ein bisschen auf dem Rücken. Da stößt er gegen eine Leiche, und als er panisch vor Schreck zum Ufer schwimmt, sieht er, dass mehr als ein Dutzend tote Juden im Fluss treiben. Genadij Lerner sagt gerade, er halte die Gerüchte über barbarische Taten der Deutschen für Gräuelpropaganda, als Stepan gelaufen kommt und erzählt, was er gerade gesehen hat.

Nachdem die Deutschen Kiew am 19. September 1941 eingenommen haben, kümmert sich der trunksüchtige SS-Oberst Paul Blobel (Axel Milberg) um die Verwaltung der Stadt und bereitet die Tötung der hier lebenden Juden vor. Während er in Babij Jar, einer Schlucht im Nordwesten von Kiew, für die geplante Massenerschießung Stacheldrahtzäune errichten und Tische aufstellen lässt, beruhigt er eine Abordnung der jüdischen Gemeinde: Man werde die Juden in den Westen umsiedeln, jedem von ihnen einen Arbeitsplatz und eine Wohnung beschaffen und dazu Schulen bzw. Lehrstellen für die Kinder.

Helena Onufrienko ist mit einem ukrainischen Polizisten namens Boris verlobt. Ihre Mutter muss plötzlich daran denken, dass Helena und Boris nach der bevorstehenden Hochzeit im selben Haus wie sie wohnen könnten – wenn die Lerners fliehen würden.

In einer Nacht stöbert Genadij Lerner in der Scheune drei junge jüdische Flüchtlinge auf: Franka (Olga Erokhovets), ihren Verlobten Jakob (Alexander Martschenko) und dessen Bruder Mundek (Michael Zuy). Sie kommen aus dem Westen und mussten mit ansehen, wie ihre Eltern von den Deutschen ermordet wurden. Obwohl die drei Flüchtlinge von Massenerschießungen berichten, die sie mit eigenen Augen sahen, will Genadij noch immer nicht glauben, dass er und seine Familie in Gefahr sind. Schließlich war er Fotograf gewesen und hatte in Berlin auch deutsche Generäle und deren Familien porträtiert.

Stepan verliebt sich in die ein paar Jahre ältere Franka und schenkt ihr eine selbst gebastelte Lampe, aber da steht plötzlich seine Mutter in der Tür und weist darauf hin, dass sie und ihre Familie vom Verkauf der Lampe eine Woche lang leben könnten. Franka gibt das Geschenk zurück.

Das Krankenhaus wird evakuiert. Transportmöglichkeiten gibt es allerdings nur für Männer, die in Kürze im Krieg eingesetzt werden können – nicht für einen gehunfähigen Patienten wie Sascha Lerner. Natalja beschwört die Ärzte. Vergeblich. Da besorgt sie selbst eine Bahre und holt ihn nach Hause. Sascha drängt seine Frau, sich allein abzusetzen. Im Gegensatz zu ihm, seinem Vater und den Kindern sei sie keine Jüdin, und die Deutschen würden ihr nichts tun. Natalja will ihn und ihre Familie jedoch nicht verlassen.

In einer Gasse von Kiew trifft Genadij auf Juden, die auf einem Schweinekarren herumgezogen, beschimpft und bespuckt werden. Als zwei deutsche Soldaten ihn wegen seines Aussehens für einen Juden halten, beteuert er, keiner zu sein und wirft Pferdeäpfel auf die Juden, um seine Lüge glaubwürdiger zu machen. Er muss zusehen, wie die Juden auf dem Karren angezündet werden und bei lebendigem Leib verbrennen. Genadij, der nur durch das Einschreiten eines dritten Soldaten ungeschoren davonkommt, begreift nun den Ernst der Lage.

Er gibt einem Freund namens Pjotr sein letztes Geld. Dafür soll dieser ihm ein Pferd und einen Wagen beschaffen. Die beiden Männer kennen sich seit ihrer Kindheit. Pjotr beteuert, er werde nur so viel Geld wie nötig ausgeben und Genadij den Rest zurückgeben. Kurz darauf ist Pjotr mit dem Geld verschwunden.

Stepan verkauft einen Leiterwagen voll Äpfel und Lampen und bringt Franka das Geld, das er dafür bekommen hat. Bei seiner Mutter lügt er, deutsche Soldaten hätten ihm alles abgenommen, aber Lena lässt sich nichts vormachen und verlangt das Geld von Franka zurück. Lauthals schimpft sie über die Juden und verwünscht sie – auch die Nachbarn, mit denen sie so lange befreundet war. Stepan und sein Vater Gleb sind entsetzt über Lenas offenen Antisemitismus und ihre plötzliche Feindschaft gegenüber den Lerners.

Als Jakob erfährt, dass Stepan Handgranaten gefunden hat, lässt er sich diese aushändigen, bittet den Jungen, sich um Franka zu kümmern, schreibt ihr einen Abschiedsbrief und schleicht sich nachts in die Stadt. Er schlägt einen deutschen Soldaten nieder, der gerade versucht, eine Frau zu vergewaltigen und zieht dessen Uniform an. Dann schleudert er eine der Handgranaten in einen mit grölenden Soldaten voll besetzten Mannschaftswagen. Die nächste wirft er durch die Fensterscheibe in einen Saal, in dem die Deutschen lautstark feiern. Im Augenblick des Abwurfs wird er von einem Soldaten erschossen.

Mit dem Einverständnis seines Vaters stiehlt Stepan in derselben Nacht eines der Pferde, die beim Metzger angebunden sind und am nächsten Morgen geschlachtet werden sollen. Es ist schwach und abgemagert, aber Stepan hofft, dass es den ebenfalls gestohlenen Wagen mit den Lerners, Franka und Mundek ziehen kann. Er will mit ihnen fliehen und sich bei der Roten Armee melden, um sein Land von den Deutschen zu befreien.

Als Lena am nächsten Morgen – es ist der 29. September 1941 – nachschaut, ist die Nachbarwohnung leer, und die Lerners sind fort.

Per Lautsprecher werden die Juden in Kiew aufgefordert, sich um 8 Uhr an einem bestimmten Sammelplatz in der Stadt einzufinden. Damit keine Panik ausbricht, wird den Juden eine Umsiedelung in den Westen versprochen. Dort gebe es Essen, Arbeit, Wohnungen, Schulen und Ausbildungsplätze, heißt es. Während die Juden durch die Straßen zum Sammelplatz ziehen, durchsuchen deutsche Soldaten die Wohnungen. Eine jüdische Schriftstellerin, die im Rollstuhl an ihrem Schreibtisch sitzt, werfen sie vom Balkon. Zwei jüdische Ärzte, die gerade eine Operation durchführen, erschießen sie kurzerhand.

Um zu verhindern, dass die Lerners zurück in die Nachbarwohnung kommen, geht Lena zur deutschen Kommandatur und schwärzt sie als Partisanen an. Sofort machen sich einige SS-Männer auf die Suche. Als Gleb Onufrienko begreift, was seine Frau getan hat, offenbart er ihr, dass Stepan bei den Lerners ist.

Stepan und Franka lassen Genadij, Sascha und Natalja, Mundek und die drei Kinder in einem Waldstück zurück und gehen zum Fluss hinunter, um ein Boot zu kaufen, mit dem sie alle nacheinander auf die andere Seite übersetzen können. Während sie fort sind, spüren die SS-Männer die Flüchtlingsgruppe auf. Genadij wird erschossen. Die anderen müssen auf einen LKW klettern. Stepan und Franka sehen gerade noch, wie sie weggefahren werden.

Wie die anderen mehr als dreißigtausend Juden von Kiew werden die Festgenommenen nach Babij Jar gebracht und in die Schlucht getrieben.

Aber auch Lena wird von SS-Männern aus dem Haus gezerrt, nach Babij Jar gefahren und gezwungen, sich in die Kolonne der Juden einzureihen, denn die Gestapo hat inzwischen herausgefunden, dass ihre Aussage, die Lerners seien Partisanen, falsch gewesen war. Vergeblich kreischt Lena, sie sei keine Jüdin.

Man prügelt die Menschen durch eine mit Stacheldraht eingezäunte Gasse. Paul Blobel beobachtet die Szene aus einiger Entfernung mit einem Feldstecher, während er auf einem Grammophon Platten mit flotter Musik abspielt. Hin und wieder nimmt er einen Schluck aus seinem Flachmann. Zwischendurch telefoniert er mit seiner Frau, die offenbar in Kürze niederkommen wird.

Boris, der zu den von Blobel zur Verstärkung der SS-Einheiten angeforderten Ukrainern gehört, bietet Natalja Lerner an, ihr zu helfen. Für ihre jüdischen Angehörigen könne er nichts tun, beteuert er. Sascha beschwört seine Frau, sich von Boris retten zu lassen, aber sie lehnt es ab.

Die Menschen müssen ihre Habseligkeiten abgeben, sich nackt ausziehen und weiter in die Schlucht hineingehen. Dort werden sie nach und nach erschossen und in den Abgrund gestoßen. 33 771 Menschen! Zum Abschluss der Aktion schreiten SS-Männer über den Leichenberg und erschießen alle, die sich noch bewegen, mit ihren Pistolen.

Ein junger SS-Angehöriger steckt sich unvermittelt seine Pistole in den Mund und drückt ab. Paul Blobel trinkt noch ein Glas Schnaps.

Nur Stepan und Franka sind mit dem Boot entkommen …