1964年，滇西南边境金龙江地区。为修建云贵战略大铁路，二十万铁道兵向西南边疆浩浩荡荡大进军。铁道兵A师铁锤团参谋长秦群在坐了五天禁闭后，临危受命，赶赴先遣营出任营长。先遣营所驻扎的金龙江地区临近金三角，民情社情极为复杂，师长郑重告诫，必须随时准备在修路建设与平息匪患两条战线上同时作战。秦群在追赶队伍的途中，邂逅了测绘员女兵夏小月。两人一路同行，途中突遇匪徒，秦群果断与匪徒交火。抵达先遣营后，夏小月才知晓秦群正是自己的营长。因秦群让夏小月收起晾晒在外的花裙子，两人发生口角。此时，先遣营战士们水土不服，多人染病。女军医陆玲琅提前归队，并带来了烈士遗孤“小裙子”。为修桥，排长池衡北误砍了山寨的“神树”，秦群怒命将其捆了谢罪。一位名叫让玉的山寨女子为池衡北解开了绳索，另一位叫漂漂的姑娘则递上清水。池衡北的哥哥池衡南为感谢禾西老爹与漂漂的解围，兄弟二人登门致谢。不想这番近距离接触，让池衡北与漂漂萌生了男女之情。池衡南因妻子与他人有染，郁闷大醉，被秦群怒罚站操场直至昏倒。指导员叶正元四两拨千斤地开导，让他咽下了这杯苦酒。先遣营抢通道路桥梁，大部队顺利进山。秦群主动请命，争到了打通渊鬼梁隧道及金龙江大桥这一全线最艰巨的工程。山寨突发瘟疫，陆玲琅全力救活了阿甲的父亲。为解决坑道支撑圆木，池衡北带人进山伐木，请禾西老爹当向导。期间误入漂漂家“偏门”，与漂漂喝了“双边倒”酒。禾西带人上狮子峰伐木，在密林深处的小木屋里，揭开了一段尘封往事：年轻时，山寨最美的女人洛赛与一汉人（夏小月的父亲）生下女孩，寨子里闹瘟疫时，大法师指认汉人野种是魔鬼要将其烧死。洛赛将漂漂托付给禾西后殉难，禾西背着漂漂上了狮子峰，在小木屋一住数年。隧道缺少支撑木，小战士王二虎在塌方中牺牲，令秦群痛心不已。在伐木营地，漂漂与池衡北的情感日渐加深。阿甲跑到狮子峰半夜抢婚未遂，又到部队闹事。与此同时，给养运输车遭袭，粮食被抢。池衡北伐木归来，被哥哥池衡南当众打了一耳光。部队给养极度困难，为解饥荒，池衡南奉命进山打猎，却误杀了阿甲家的大牯牛。池家兄弟背对背写检讨，为给阿甲家赔牛，众人想尽办法。按当地风俗，赔牛外还需以人代牛耕地一天，池衡南毅然为阿甲家拉犁，最终一头栽倒在田里。夏小月将一只泥捏的兔儿爷送给了秦群。妖艳而神秘的让玉（黑蜘蛛）则有意接近工程师雷佐夫。漂漂到连队找池衡北被池衡南挡驾，秦群命池衡南五天内将木头运来。无奈之下，池衡南硬着头皮去求禾西，被漂漂尽情揶揄戏弄。禾西惊讶地得知，夏小月的父亲竟是他三十年前的“情敌”。叶正元在铁道兵当兵的儿子在塌方中为抢救战友牺牲，他默默隐瞒了丧子之痛。漂漂怀孕，营党委决定撤销池衡北排长职务，池衡北在山头吼唱革命歌曲，战士们纷纷呼应。禾西气冲冲到部队来“看女婿”。让玉借找雷佐夫之机侦察部队弹药库。小裙子得了猩红热，康冬保连夜快马赶赴野战医院寻药，终使小裙子得救。积劳成疾的叶正元也终于病倒，被战士们送进了医院。夏小月将自己照片压在那只兔儿爷底下，谁料一去竟是永诀。测绘途中，落在后面的夏小月被却巴劫持。秦群大怒命部队搜山，不料驻地弹药库又被抢。师部震惊，师长怒命将秦群就地撤职，边工作边检查，寻找夏小月下落。渊鬼梁隧道大水如注，秦群强撑着不让自己倒下。夏小月从岩洞逃出，却在奔逃中失足坠下深渊，被木嘎发现救回家。叶正元偶然得知营里出事，陆玲琅意外发现叶正元儿子所在部队来函，得知其子早在几个月前已牺牲，众人震惊。危难中，叶正元从医院回来，战友们自动集合，池衡南和众战士默默向他敬礼。却巴跟让玉接头，欲将枪支弹药偷运出境。渊鬼梁爆破时，小裙子误入禁区，康冬保为救小裙子英勇牺牲。夏小月被木嘎救治后，让其到部队报信，不想木嘎被却巴发现，杀害在荒野，夏小月重落土匪之手。跟踪让玉和却巴的禾西被发现，土匪用毒蛇咬伤禾西。禾西获救后，陆玲琅为为其吸出蛇毒，自己却中毒溘然长逝。隧道发生大塌方事故，池衡北等一个排的战士全部牺牲。夏小月得知土匪阴谋炸桥时，毅然点燃炸药，与敌人同归于尽。云贵高原，又一个春天。云贵大铁路即将通车，通车仪式选在烈士墓地，一碗碗烈酒缓缓洒下，告慰烈士英灵。一声婴儿啼哭，漂漂解怀。池衡南将心形绣花荷包挂在弟弟坟头，漂漂见荷包伏坟大恸。池衡南要漂漂跟他一起走：“这辈子生生死死都跟你守在一起！”欢腾的火把节之夜，叶正元天旋地转地倒下，实践了“路通人走”的诺言。军号悲壮，全营开拔，战友们向青山致礼。20年后，走过近四十年战斗历程的铁道兵向军旗庄严告别。若干年后，秦群身患绝症，要去看一次战友，身边是当年小裙子的女儿小小裙子。在烈士陵园，秦群见到了病退后一直在此守墓的池衡南。秦群在战友墓前凭吊时，火车笛声响起，《铁道兵之歌》再次回荡在高原的上空。