遼沈戰役前夕，東野護路軍小文工團員韓方在完成宣傳動員的任務歸途中，被土匪金奎搶入金嶺山寨，欲要她做壓寨夫人。野戰軍某部偵察排長藍鐵娃只身闖入山寨解救韓方，與前來爭取金奎歸順國軍的閆守誌展開較量，迫使金奎率部加入了解放軍。
金奎不服紀律約束，將代理連長藍娃捆綁，並要拉隊伍撤回山寨。韓方冒死營救藍娃。營長羅世民決心要處決金奎。藍娃執意刀下留人，並用計謀讓這個紀律渙散的特殊新兵連鬥誌高昂。
老虎團被編入新組建的鐵道縱隊，藍娃想不通，借口舊傷復發躲進縱隊醫院。團長決定撤銷藍娃職務以正軍紀，藍娃向團長請求留在老虎團當個大頭兵。
廖耀湘兵團南逃，閆守誌脅迫鐵路局工程師藍靖宇炸毀金唐河大橋，阻止解放軍追殲。藍娃率部隊圍剿，殲滅閆守誌部。金奎礙於鐵娃父親的情面，放走了閆守誌和藍靖宇。藍娃懲辦金奎，不予原諒藍靖宇。
藍嵐在尋找父親的路上，險些落入國民黨殘匪之手，幸而被逃離部隊的金奎所救。金奎被藍楠數落，終回部隊自首。韓方為金奎說情，引起藍鐵娃誤解。團長同意金奎留部隊察看，藍鐵娃只得服從，但對金奎耿耿於懷。
聽說父親是國民黨的工程師，藍嵐暈倒在哥哥鐵娃的懷裏。韓方將藍嵐喚醒，希望她參加鐵道兵。藍嵐認為自己無臉回家，決定留在哥哥身邊。
新中國成立，藍鐵娃帶著韓方和藍嵐回家看望母親，卻看到已逃脫國民黨部隊的父親藍靖宇。他不顧母親的苦苦挽留，憤然離家歸隊。
數年後，藍鐵娃跟隨鐵道兵老虎團開拔蘭新鐵路建設工地。指揮部蘇聯專家安德烈力挺在家賦閑的藍靖宇為總工程師。藍嵐為父親參加鐵道兵興奮不已，藍鐵娃卻對藍靖宇敬而遠之，令藍靖宇苦不堪言。
閆守誌潛入工地，組織潛伏特務暗殺蘇聯專家安德烈。被特務劫持的藍靖宇撕毀委任狀，正告自己的學生終止謀殺，投案自首。閆守誌則化裝成鐵道兵，打著藍靖宇的旗號混入指揮部，和韓方不期而遇。危急時刻，金奎出手制服閆守誌。藍娃也率兵將殘匪壹網打盡，救出藍靖宇。
藍嵐隨文工團到工地慰問演出，批評哥哥不理解父親。倔強的藍鐵娃將妹妹趕出連隊，遭到韓方和金奎的鄙視。藍靖宇因自己的歷史問題被暫停工程師職務，安德烈也無奈地被召回蘇聯。
韓方決定與眾叛親離，固執已見的藍娃推遲婚期。藍娃將怨氣撒向金奎，金奎則表示他要正式追求韓方，令藍娃惱羞成怒。
蘭新鐵路建設遭遇大爆破瓶頸，身在北京兵部機關的鐵靖宇，化名給兒子寄去戰勝大爆破的施工良藥。藍嵐來工地慰問演出，教導員秦瓊對她展開愛情追求。金奎要做藍嵐的監護人，藍鐵娃不滿。韓方指責藍鐵娃小肚雞腸，藍鐵娃終於明白，自己誤解了金奎。
藍鐵娃趕回北京參加妹妹的婚禮，卻發現妹妹在無人處哭啼。藍鐵娃將另娶他人的秦瓊痛打壹頓，藍嵐突然為秦瓊說情。韓方感到秦瓊放棄藍嵐必有隱情。
蘭新鐵路順利完工，新任團長的藍鐵娃與參謀長金奎率部開赴青藏鐵路建設工地。藍嵐壹再拒絕父母都認同的羅世民，拿定主意等金奎。
藍鐵娃將精力放在了施工中，藍嵐卻利用采風的機會調查秦瓊的隱情。正在成昆鐵路建設指揮部擔任工程師的韓方擔心藍鐵娃蠻幹，特意電話叮囑金奎做好施工監督。藍鐵娃認為金奎與韓方合起來對付他，對金奎的勸阻置之不理。
高原缺氧使部隊施工異常艱難，韓方再次來到藍鐵娃身邊並肩作戰，並與藍鐵娃主動完婚，令藍鐵娃和指戰員倍受鼓舞。藍靖宇也主動請纓來到青藏線，研究凍土施工，助兒子壹臂之力。藍鐵娃不理解父親為何念念不忘逃到國外的閆守誌，韓方則勸藍鐵娃，不要再過問父輩心中的秘密。
藍嵐帶著文工隊員為戰士們演唱《金珠瑪米亞古都》，韓方將秦瓊婚變的秘密告訴藍楠。藍嵐擬要以金奎為原型編創話劇小品，卻傳來金奎為救戰友壯烈犧牲的消息。藍鐵娃終明白，秦瓊因為幫助有難的方瑞玲，才與藍嵐絕情。
關角山隧道發生大塌方，藍鐵娃帶領被困的100多名指戰員展開自救，並成功脫險。累到在搶險第壹線的藍靖宇告訴鐵娃，他們兄弟姊妹本不是壹家人。藍鐵娃和藍嵐表示，藍靖宇永遠是他們的親生父親。
逃往海外的閆守誌帶著贈送的高原強力壓力鍋車隊來到關角山，藍鐵娃方才知曉閆守誌才是藍靖宇的親兒子。閆守誌跪倒在父親墳前真誠謝罪?
藍鐵娃希望身為華僑的閆守誌多為祖國建設做貢獻，在《鐵道兵誌在四方》的嘹亮歌聲中，率部踏入茫茫戈壁，投入南疆鐵路的建設中。