博士の異常な愛情 または私は如何にして心配するのを止めて水爆を愛するようになったか
冒頭にアメリカ空軍による「映画はフィクションであり、現実には起こりえない」との趣旨の解説が流れる。
ある日、アメリカ空軍戦略航空軍団第843爆撃隊が所属するバープルソン空軍基地の司令官リッパー准将が精神に異常をきたし、警戒飛行中だった第843爆撃隊のB-52戦略爆撃機34機に対して、本来政府中枢が敵の先制攻撃を受けて混乱した場合に下級指揮官が独自の判断でソ連への報復核攻撃を行うことができる「R作戦」を実行するよう命令すると、基地に戦時体制を発令して立て篭もった。バープルソン空軍基地に派遣されていたイギリス空軍のマンドレイク大佐は偶然にも戦争状態でないことを知り、リッパー准将にB-52を引き返させるよう進言するが拒否される。マンドレイク大佐は自身の権限によってB-52を引き返させようとするが、逆にリッパー准将が閉じこもる執務室に軟禁されてしまい、リッパー准将の話し相手となる。「R作戦」に従いソ連への攻撃に出撃したB-52には、それぞれ第二次世界大戦で使用された全爆弾・砲弾の16倍の破壊力がある核兵器が搭載されていた。
バープルソン空軍基地の状況とB-52出撃を知ったアメリカ政府首脳部(マフリー大統領、タージトソン将軍を始めとする軍高官、大統領科学顧問兼兵器開発局長官のストレンジラヴ博士など)は、ペンタゴンの戦略会議室に集結して対策を協議する。マフリー大統領はあえて駐米ソ連大使のサデスキーを呼ぶことにし、機密漏洩を危惧して反対するタージトソン将軍を押し切ってサデツキー大使を会議室に招く。マフリー大統領はサデスキー大使同席の元、ソ連首相にホットラインで爆撃機の件を告げ、もしアメリカ側がB-52の呼び戻しに失敗した際は、それらを撃墜するよう依頼する。
『博士の異常な愛情』と同時期にシドニー・ルメットが監督を務める『未知への飛行』が製作されていた。この映画も『博士の異常な愛情』と同様に「アメリカ空軍の爆撃機が誤指令に基づきソ連を核攻撃する」という内容だったため、キューブリックは両作が競合して興行成績を損なうことを懸念していた。彼が特に懸念していたのは、『未知への飛行』の監督が高い評価を得ているルメットで、キャストがヘンリー・フォンダ、ウォルター・マッソーの一流俳優だったことである。
キューブリックは、『未知への飛行』の原作である『フェイルセーフ(英語版)』が『破滅への二時間』と同様のプロットであることを理由に、「盗作された」として訴訟を起こした。彼は『未知への飛行』に登場するグロテシェル教授が、ストレンジラヴ博士と類似性があることを主張した(ただし、原作にはストレンジラヴ博士は登場していない)。最終的に両者は和解し、『未知への飛行』は『博士の異常な愛情』の公開から8か月遅れの1964年10月7日に公開されることになった。
※「吹替洋画劇場 コロンビア映画90周年記念『博士の異常な愛情』デラックスエディション BD」には本編ディスクと別に、テレビ版吹替(再放送時のカット版のため正味92分)を収録した特典ディスクが付属している。