1944年，中央警备团内卫班战士张思德为毛主席制作呼唤铃，获主席赞赏并帮其修改家书。告别后，张思德前往安塞烧炭，一场暴雨突至，炭窑坍塌瞬间，他奋力推开战友，自己被埋其中牺牲，年仅29岁。时间回溯到1915年，张思德小名谷娃子，自幼被婶母收养。他与黑老潘、牛娃子和张行发一同长大。1932年，红军抵达川北仪陇，四人兴奋前去迎接，得知红军将攻打六合场。此时的六合场，牛一刀夫妇因迎接红军，被金城寨的王吉残忍杀害。牛家兄弟誓要报仇，而金城寨地势险峻，红军谭根红营长决定派穆连长潜入侦查。张行发偷听到计划后，与兄弟商议，由他和牛娃子接应，张思德、老潘冒充大户林守信家送礼人潜入金城寨。

王吉狞笑着放走了张思德。牛庆祥与张行发撞见浑身是伤的张思德，三人匆忙回营。谭根红拍案决定提前攻打金城寨。张思德忍着伤痛建议从耙子岭绝壁能绕开正面防线。夜色如墨，张思德在陡峭崖壁上攀爬，碎石不断滑落。他咬牙将粗绳抛下，红军战士们顺着绳索，悄无声息地逼近匪巢。穆连长摘下配枪塞给张思德，还教他瞄准和射击的基本方法。此时，国军林俊卿率部在六合场外徘徊，他既想试探王吉的虚实，更盼着红军与土匪两败俱伤，好坐收渔翁之利。寨内，黑老潘慌了神想逃，厨师小胖主动提出护送。就在此时，红军已悄然潜入金城寨。穆连长被暗堡里射出的子弹击中，他拼尽最后一丝力气将寨门推开。张思德红着眼眶握紧配枪，自责没能发现暗堡。

张思德四人开始训练。某日部队帮老乡抢收稻子，团长陈宝明强调为人民服务。张思德练枪时因心中仍有阴影脱靶，经陈宝明鼓励并再三练习后终于中靶。红军极度缺盐，谭根红父母借探亲之机将盐巧藏在外套中，炊事班从中熬出盐巴。林俊卿奉命封锁盐区，军阀宁相齐试图拉拢他。张思德枪法精进被陈宝明选为通信兵，其余三人亦成长。牛庆祥带队赴南部县盐场执行任务。林家三姨太母子被红军救出金城寨后投奔林俊卿，却在关卡受阻。盐场外围，张思德学鸭子叫暗号接头。接头人老丁带着张行发走关卡，其余人跟着小丁从横索过江，张思德第一个出发。成功潜入盐区后，众人混进盐场当苦力，忍受少爷钱立候的折磨。

张思德等人用牛肠裹盐，藏于粪车运出盐场。李大牙来盐场训话，牛庆祥等人怕被认出，低头躲避。次日李大牙险些识破众人。张思德等获盐区地图并得知盐场主计划毁井，于是牛庆祥让张思德、牛娃子等携图返回求援，自己和老丁等留守。李大牙认出牛庆祥，钱立候去抓捕反被绑。张思德等遇袭，同伴牺牲，掩护其撤离。宁相齐率兵欲围剿盐场红军，但久攻不下。牛娃子为张思德舍身断后，幸好红军援军及时赶到。牛庆祥率盐工坚守盐场。林俊卿劝降未果，老丁托孤后牺牲。张思德带红军援军赶回盐场，激战中牛庆祥击杀李大牙。林俊卿被俘后拒绝投诚，红军释之。盐场大捷解决红军食盐危机，陈宝明表扬张思德。

众人重逢小丁，得知她是女孩，名丁香。陈淑良教员讲授马列主义并指导制作学习用品，张思德想到用锅底灰制墨。村妇误会张思德私自砍竹，实则他帮村民引水后获准。村民们自发帮红军做床。丁香感谢张思德相救，张思德称是红军解放之功，两人羞涩悸动。谭根红送物资到学校，并送来陈淑良和陈宝明的结婚证，向廖小湘许下战后完婚的承诺。张思德创新背贴字认字法，陈淑良表扬其助人品德。黑老潘为女生宿舍献火盆却浓烟呛人，张思德率众建窑。

陈宝明讲话鼓舞士气，并与陈淑良成婚。丁香与张思德交心时突遭空袭。学员们伤亡惨重，陈淑良接到指示，由张思德等人护送，带师生撤离。途中遭遇国军，好在最终队伍安全抵达独立团。此时，反六路围攻的反击战一触即发，红四方面军将目标锁定国民党川军第四路总指挥杨森的二十军。王师长部署独立团和73团分别从馒头岭西、东两侧进攻并坚守，以阻击敌军援军。林俊卿发现直系学长、国军将领李朝信沉迷权财，满心失望。馒头岭西岭攻坚战中，张思德等伪装国军运输队，炸毁敌弹药库。国军火力骤减，红军攻势更猛。不幸的是，张思德等人被抓，危急时刻，张行发急中生智，以红军大部队压境为由，唬住林俊卿，众人得以脱险。红军成功控制馒头岭阵地。

红军军部令坚守7天阻敌援军，李克武与陈宝明决意死守。国军高层震怒，斥李朝信夺回阵地，李怀疑林俊卿投共。林因消极内战被调边区，直到抗战爆发后随川军出征。红军与国军炮战伤亡惨重，黑老潘等战士英勇作战，张思德唤醒受伤昏迷的陈宝明。独立团与国军血战昼夜，李朝信困死守军的毒计下，阵地上断水缺粮，陈宝明将最后一滴水喂给伤员。关键时刻，张思德觅得水源，取水时遭遇敌机轰炸。刘光友担忧张思德的安危。独立团战士冒死插军旗，掩护其余战友撤退。李朝信胜券在握，发起总攻。当国军士兵冲上馒头岭，突然从山洞里跃出满身血污的红军战士——军旗不倒，战魂未灭，独立团残部以决死之势扑向敌军，让骄横的李朝信尝到了教训。

张思德欲将食物让给陈宝明，陈却命其分给伤员。坚守馒头岭十日后，陈宝明重振士气。陈淑良与陈宝明遥相思念。李朝信战败欲自尽，被劝阻。敌军空袭致红军伤亡惨重，独立团残部誓要血战到底。一颗炮弹袭来，陈宝明为救张思德牺牲。医院里，张思德见到了丁香，将陈宝明的怀表交给陈淑良。黑老潘与张思德负伤幸存，决心为独立团延续希望。

张思德怀疑红军联络点盛一理发店被敌监控，让山娃子留守，独自潜入理发店。张思德在理发店与地下党李志杰成功接头，得知革命同志老高被捕，江防图下落成谜。张思德与李志杰假斗殴，被捕入狱寻江防图线索。张思德故意说出自己从对岸来，惹来拷打后被丢进死牢，他仔细搜寻，发现老高留下的"舟"字线索。地下党解救出张思德，他从醉舟楼寻获江防图。后又藏身地沟数日，张思德终与山娃子会合。张思德寻获两船欲带回时，遇敌军追击，谭根红接应中张思德护山娃子中弹昏迷。

张思德许诺山娃子加入红军。谭根红见张思德带伤坚持造船，命山娃子监督其养伤。渡江前夕，红军佯攻迷惑敌军，独立团趁敌松懈展开攻势。激战中，张思德摧毁敌军碉堡并夺得两挺机枪。捷报传开，战士们传唱着他的英勇事迹。张思德冒死救下空袭中受重伤的张行发。1935年6月，红一、四方面军会师懋功准备北上，张思德随军长征前赶制九百多双草鞋。张思德劝服绝食的张行发进食。部队整编的命令传来，牛庆祥、和牛娃子等含泪惜别。牛庆祥作为通信营特务连连长，率张思德等战士保护红四方面军电台台长宋纲。

张思德等人用信号弹驱散藏民，进入民居留下只多不少的大洋换粮。藏民这才明白误会了红军，赠予粮食和羊。丁香为张思德制鞋，被黑老潘误抢。张行发被留在老乡家养伤，与众人告别。1935年8月，红军分左右两路北上，挺进松潘大草原。路遇毁桥，左路军前锋团团长廖文山令牛娃子在大部队到达之前修好桥。牛娃子率队守桥，张思德等人协助。然而和平沟通失败，山娃子额头被藏民的子弹擦伤。此时右路军来电强调民族团结，做好通过藏区的准备。懂藏语的李金嗓单枪匹马携和平信赴土司寨。寨子里，李金嗓救下一名藏兵并获土司款待。但土司之子甲央指控红军伤人，李金嗓遭甲央拷打时唱起《八月桂花遍地开》。廖文山既要保桥又要营救人质，心焦不已。

为营救李金嗓，张思德携礼踏入土司山寨。周秉文政委同意留在寨中当人质，换出李金嗓和粮食。藏兵扎西主动请缨为红军当向导。张思德等人向廖文山求证他是否是廖小湘的兄长，廖文山才知妹妹早已参军，两人彼此惦念。牛庆祥告诉张思德，由他们负责保护宋纲过草地。黑老潘和李金嗓陷入沼泽，张思德等人冒险将他们救出。黑老潘不满张思德先救李金嗓，张思德边照料宋纲边安抚黑老潘情绪。陈淑良将毛毯让给冻僵的丁香、廖小湘。大雪后，队伍艰难寻得"红色生命线"。宋纲情况恶化，躺在担架上。水几乎喝完，有些人忍不住喝了黑水后呕吐抽搐。获救战士送粮食给医疗队。丁香为救彩云陷入泥潭，张思德救下丁香，彩云牺牲。饮用水枯竭时天降甘霖，众人接雨解渴。

黑老潘脚部肿胀，张思德搀扶遭拒，李金嗓调解后黑老潘放下心结。炊事班长牺牲，战士们列队致敬。粮食吃紧，张思德吃野菜中毒后教众人辨识无毒野菜。朱德总司令带领举办百草宴。陈淑良难产，张思德钓鱼熬汤助其产子，取名陈火种。红四方面军过草地后，竟接到返回令。廖小湘寻兄未果，廖文山已随中央红军北上。1935年9月中旬，在张国焘错误路线的指挥下，红四方面军左路军到达党坝，回到了最初出发的地方。山娃子二过草地时冻亡，张思德悲痛不已。张思德带队执行送信任务后，欲接张行发归队，在村中遇国军，幸好牛庆祥率队赶到。张行发舍身救小腊肉，小腊肉决定参军。独立团击败李朝信部，缴获电台。牛娃子改名牛得胜已成营长，却变得冷漠寡言。

张思德等人追击残敌时，邓介立正劝李朝信自尽。李朝信饮弹倒地，邓介立投降。庆功会上，李金嗓和黑老潘的表演逗得人捧腹，丁香却发现她送张思德的鞋穿在黑老潘脚上。丁香问张思德他心里什么最重要，张思德隐隐明白丁香对自己的情谊。陈淑良宴请老战友们，牛得胜攥着新得的二等功奖品钢笔，眼神却空洞。张思德劝他多听兄长牛庆祥的话。李金嗓本想帮黑老潘追丁香，却从她口中得知鞋子的真相。

红四方面军苦战七昼夜后撤离百丈关。廖小湘照料腿伤的谭根红。张思德、黑老潘和牛得胜一同祭奠战友，唱起《八月桂花遍地开》泪流不止，信念愈坚。1936年2月，红四方面军转移，两越雪山抵达甘孜道孚一带，后勤压力稍缓。张思德传达北上寻中央红军令。三越雪山草地，严寒又带走许多生命。谭根红腿伤严重躺在担架上。扎西把粮食分给战友后牺牲，众人念着他经常说的“永远相逢，同甘共苦，生死与共”与其告别。

会宁缺水，张思德与黑老潘向冯家讨水碰壁，黑老潘却瞒着张思德折返，讨回一桶水。朱德总司令得知缺水一事，率战士奔赴祖厉河挑苦水，张思德深受触动。黑老潘索水行为害得宋纲写检查。冯家要求儿子疏远红军。谭根红将省下的水强送给张思德。敌机轰炸红军司令部，小腊肉为救锁头牺牲，锁头立志参军。国军逼近，张思德冒险从西北军军官冯文举手中取得电码本，协助宋纲破译敌军情报。

夜战中，张思德与黑老潘遇到了廖文山的部队。黑老潘腿部中弹，张思德夺电台时受伤昏迷，昏迷中他见到战友和母亲的幻象。苏醒后已身处荣军学校，得知山城堡大捷。荣校内伤残战士们意志消沉。廖小湘赶赴延安学习，出门时与伤重入院、纱布蒙面的廖文山擦肩而过。张思德用廖小湘激励截肢的廖文山，还带头劳动引发了劳动大比武，谭根红一番话振奋全场。因表现突出，张思德和黑老潘被推荐入党。西安事变和平解决后，红军改编为国民革命军第八路军。荣校学员积极体检参战，黑老潘和张思德落选。黑老潘认为已为革命牺牲够多了，二人理念分歧冷战。

张思德背王大奎就医。押运途中，张思德调解张大彪与王大奎的矛盾，追回遭劫头车，确保物资安全抵延。1940年春，张思德调任中央军委警卫营通讯班长。初到延安，他协助毛主席车辆脱困，却未认出主席身份。张思德与在延安任供销社主任的黑老潘重逢，察觉其有所变化。张思德执行送信任务时昏厥入院，遇廖小湘。归途中张思德下河帮老乡捞菜获感激。

郭家安嘉奖通信班并令其支援南泥湾。途中张思德为沙窝窝村清理堵塞的水井后悄然离去。在南泥湾高效耕作，张思德受赞誉。通信班裁撤后，张思德调任中央警备团。奉命组建烧炭班时，黑老潘竟对张思德说制炭无用。抗日前线，陈淑良为救林俊卿牺牲。1944年张思德率队在安塞林区超额完成烧炭任务，《解放日报》记者为其拍摄生平唯一照片。

主席命张思德送羊奶至保育院，张思德认出新来的自闭儿童是陈火种，两人拥抱。张思德察觉主席出行险情，化险为夷。护送保育院小朋友时，小火种对张思德喊出了“爸爸”。牛得胜重伤，张思德邀请主席探望，激励了牛得胜的斗志。张思德为主席点火盆，发现用的炭会产生浓烟，想给主席制炭，主席却拒绝特殊待遇。