1964年，滇西南。金龙江地区靠近边境，民情与社情错综复杂。为修建云贵战略大铁路，20万铁道兵浩浩荡荡向西南边疆大进军。铁道兵A师铁锤团参谋长秦群在坐了5天禁闭后，临危受命，赶赴先遣营出任营长。师长语重心长地告诫他：随时准备在修路与剿匪两条战线上同时作战。追赶队伍的途中，秦群邂逅了测绘员女兵夏小月。二人一路同行，突遇匪徒袭击，秦群果断与匪交火。抵达先遣营后，夏小月才知晓秦群便是新任营长。因让夏小月收起晾晒在外的花裙子，两人发生口角。此时，先遣营战士因水土不服多人闹病，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”，秦群大怒，命人将其捆绑谢罪。山寨女子让玉为池衡北解开绳索，姑娘漂漂也端水相救。池衡北的哥哥池衡南为表感谢，带弟弟登门拜访禾西老爹与漂漂。未曾想，这次近距离接触让池衡北与漂漂暗生情愫。另一边，池衡南因妻子与第三者有染，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，池衡南只能咽下这杯苦酒。先遣营抢通道路与桥梁，大部队得以进山。秦群主动请缨，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，却误入漂漂家“偏门”，与漂漂喝了“双边倒”酒。禾西带人上了狮子峰，密林深处藏着他当年亲手盖的小木屋。年轻时，山寨里最美丽的女人洛赛同一汉人（夏小月的父亲）生下女孩漂漂。寨子闹瘟疫时，大法师称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，禾西便背着漂漂上了狮子峰，在小木屋一住数年。隧道缺少支撑木，小战士王二虎死于塌方，这令秦群痛心不已。在伐木营地，漂漂与池衡北的情感日渐深厚。阿甲跑到狮子峰半夜抢婚，后又到部队闹事；运输给养的车辆遭袭，粮食被抢。池衡北伐木归来，被哥哥池衡南当众打了一耳光。部队给养困难，为解饥荒，池衡南奉命进山打猎却错杀阿甲家的大牯牛。池家兄弟背对背写检讨，为赔牛想尽办法，按当地风俗还需以人代牛耕地一天。池衡南为阿甲家拉犁，漂漂斥责阿甲，池衡南却一头栽倒在田里。夏小月将泥捏的兔儿爷送给秦群；妖艳神秘的让玉（黑蜘蛛）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5天内运来木头，无奈之下他硬着头皮去请禾西，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30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，他默默隐瞒了所有人。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，战士们含泪呼应。禾西气冲冲到部队来“看女婿”。让玉借找雷佐夫侦察部队弹药库。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。叶正元终于病倒，被战士们送进医院。夏小月将自己的照片压在兔儿爷底下，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大事；陆玲琅意外发现叶正元儿子所在部队来函，得知其子早在几月前已牺牲，众人震惊。危难中，叶正元从医院回来，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，惨遭杀害在荒野，夏小月再落土匪之手。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，陆玲琅为吸蛇毒自己中毒，溘然长逝。隧道发生大塌方，池衡北等一个排的战士壮烈牺牲。夏小月得知土匪阴谋炸桥时，毅然点燃炸药，与敌同归于尽。云贵高原，又一个春天。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，池衡南深情承诺：“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40年战斗历程的铁道兵向军旗庄严告别。若干年后，身患绝症的秦群在当年小裙子的女儿“小小裙子”陪伴下，重返故地看望战友。在烈士陵园，他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，此时，火车汽笛声响起，《铁道兵之歌》再次回荡在高原的上空……