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). Hij is de assistent van de bekende dominee Petrus Plancius (Jan Decleir) en bovendien verliefd op diens mooie dochter Catharina (Doutzen Kroes). Als grote initiator van de ontdekkingsreis besluit Plancius heimelijk om de bleue Gerrit mee te sturen op de expeditie van Barentsz en Heemskerck (Victor Reinier) om te bewijzen de liefde van zijn dochter waard te zijn.