Nova Zembla vertelt het legendarische,waargebeurde verhaal van de avontuurlijke ontdekkingsmissie van Willem Barentsz (Derek de Lint), dat destijds is opgetekend door het jonge bemanningslid Gerrit de Veer (Robert de Hoog). In het 16e eeuwse Amsterdam is Gerrit de assistent van de bekende dominee Petrus Plancius (Jan Decleir) en bovendien verliefd op zijn mooie dochter Catherina (Doutzen Kroes). Om Plancius te bewijzen dat hij mans genoeg is voor zijn dochter, gaat de onervaren Gerrit mee op de levensgevaarlijke ontdekkingsreis van Willem Barentzs en kapitein Jacob van Heemskerck (Victor Reinier). Door een Spaanse zeeblokkade is het voor Holland van levensbelang om een nieuwe handelsroute naar Azië te vinden. Barentsz is vastbesloten om dat te doen via de Noordpool.

De omstandigheden aan boord zijn loodzwaar voor Gerrit. En dan gaat het helemaal mis. Het schip vriest vast in het poolijs en de mannen moeten overwinteren op de bitterkoude ijsvlakte van Nova Zembla. De omstandigheden zijn erbarmelijk en levensgevaarlijk. Door aanvallende ijsberen, gebrek aan vers voedsel, oplopende spanningen en dodelijke temperaturen zijn hun kansen om levend thuis te komen zeer klein. Zal Gerrit zijn grote liefde Catherina ooit weer zien?

Nova Zembla, de allereerste Nederlandse 3D film van regisseur Reinout Oerlemans vertelt op indrukwekkende wijze dit aangrijpende verhaal over ontbering, doorzettingsvermogen en de kracht van liefde.