1949年，甘肃天水城外，两军对垒，杀声震天。英雄营长耿震山亲率一连战士经过惨烈的厮杀战，突出重围，奋力阻击敌人军用列车的通过。面对呼啸而来的庞然大物，战士们束手无策，情急之下，耿震山不得以下令炸毁隧道。铁路畅通是解放兰州的必须条件，耿震山炸毁隧道，犯下重罪，险些被枪毙。团长陈坤命令耿震山限期修通隧道，戴罪立功。硝烟未尽的天水街道上，刚被国民党释放的姬心丹神情茫然的走在街上，衣衫褴褛的五六和金守梁乘机将他的怀表偷走了。姬心丹与失散多年的妻子玉娘重逢，不禁泪如雨下，当得知自己的女儿书光在逃难中下落不明，失声痛哭。姬心丹原是国民党的桥梁工程师，由于对施工中营私舞弊的劣行不满，被腐败官员关进大狱，从此万念俱灰，流落天水，以刻葫芦为生。为了维生，心丹想将自己的怀表卖给房东马哈哈，一位落魄的古董店老板，这时才发现怀表不翼而飞。耿震山的父亲从老家来看望儿子，希望震山能带着媳妇和孙子回趟老家看望病重的母亲，而耿震山的妻儿在战乱中失散多年，生死不明，耿震山愁得不知如何向父母交代。五六和守梁躲在一节废旧车皮里，发现了躲在角落一身男孩装束的姬书光。两一致认定书光是哑巴，五六还给书光起了个名子叫小豆子。半夜，五六、守梁和书光溜到营房偷馒头，被巡逻的解放军带到耿震山处。耿震山让丁军给了他们几个馒头，几人吃个饱后非要留下来当兵，被耿震山赶了出来，五六顺手偷走了耿震山的钢笔。逃跑途中，几人打湿了衣服，五六非要书光脱了衣服烤烤，遭到书光拒绝。五六认为书光看不起他，不由分强行扒下书光的衣服，书光重重的给了他一巴掌哭着跑开。耿震山率队开始修复被炸毁的隧道，由于从未接触过此类工程，令修复工作总不得要领，屡屡受挫。在技术员何文秀建议耿震山向桥梁专家姬心丹求助，但是心灰意冷的心丹却说自己现在除了刻葫芦什么都不关心。国民党残匪马继良企图破坏铁路，他们打算拉拢姬心丹，遭到心丹的断然拒绝。柳儿弯隧道塌方，有十几个人困在其中，耿震山立即让刘金贵请姬心丹协助救人，心丹冷漠回绝，刘金贵一怒之下拔枪顶着心丹的脑袋，然而心丹并不畏惧，刘金贵愤而离去。塌方现场危在旦夕，心丹突然出现，在他的指挥下受困人们终于获救。耿震山向心丹表示感谢，心丹告诉他，自己是为了救人，并没有心思帮他修路。耿父看儿子全身心的投入在铁路建设中，无奈悄悄离去。
耿震山带着刘金贵亲自到心丹家道歉，心丹并不接受。耿震山走后，马继良等人突然闯进，软硬兼施逼迫心丹交出柳儿弯大桥的图纸，心丹和玉娘不知所措。柳儿弯隧道终于修通，耿震山和战士们兴奋欢呼，马继良却在暗地恨得咬牙切齿。兰州战役即将打响，耿震山憋着劲要上战场，团长陈坤却传达上级命令让他带部队配合铁路军管会共同修建“天兰”铁路。军命难违，耿震山只得硬着头皮上。陈坤提醒耿震山应该再成个家了，耿震山想到失散多年、生死不明的妻儿，委婉谢绝了。五六、守梁和书光靠给人搬货挣了几个铜子，高兴地到饭馆吃面，马继良的手下老五认出书光是姬心丹的女儿，谎称能帮她找到父亲，带走了书光。马继良派人找来五六和守梁，要他们挑一担柴草出城交给一个叫马三的人，五六和守梁一寻思能挣到钱没多想就答应了。正在施工的七峰岭隧道被国民党残匪炸毁，耿震山火冒三丈，命令彻查。马继良暗自得意。马继良通知心丹他们已经找到他的女儿，在马继良的老窝，心丹见到了衣衫褴褛的书光，父女俩抱头痛哭。马继良逼心丹当天夜里炸掉苦水大桥，否则就会对他的女儿动手，心丹左右为难。马继良怕心丹靠不住，就找来五六和守梁，逼迫他们俩去炸桥。两人一看情势不妙打了个埋伏逃了出来，正撞上书光被人押着走来，五六被抓住，守梁逃脱了。守梁把这个消息告诉耿震山，耿震山立即带人营救。经过一阵激烈的枪战，终于救出了书光和五六，马继良趁乱跑掉了。两个匪徒突然持刀闯进心丹家，玉娘自己却被匪徒刺中。众人将玉娘送到部队医院抢救，终于脱险。深受感动的姬心丹终于答应耿震山共同参加新中国的铁路建设。公审大会上，国民党残匪被宣判死刑，群情激昂，高呼共产党万岁。
五六和守梁恳求耿震山收他俩当兵，耿震山让他们先去民工队，改掉身上的毛病，再考虑当兵的事。二人高兴的告诉书光，他们参加了修铁路的民工队，书光好不羡慕。五六和守梁吃不了工地上的苦，再次求耿震山收他们当兵，还拿姬心丹的金表讨好耿震山，结果让耿震山识破，命令他们把表立刻还给心丹。五六和守梁一肚子不乐意跑到铁路上发泄，意外发现了敌人埋下的定时炸弹，五六急忙让守梁去报告耿震山，自己去拦住过往的火车。五六和守梁原以为这回表现出色，够格当兵了，结果耿震山夸了他们一通后，还是让他们继续锻炼，五六不明白当兵为啥这么难！五六在一次解手的时候发现了国民党残匪的暗道，耿震山顺藤摸瓜，一举剿灭了马继良残部。耿震山大喜，当即同意五六和守梁入伍，二人欣喜若狂。守梁拿出心丹的金表，交给书光，书光认出是父亲的表，五六和守梁不好意思承认是偷的，只求书光还给她父亲，转身跑开。马哈哈的古董买卖做不下去了，希望心丹帮他包一点土方工程，心丹答应帮忙。结果心丹发现工料严重不足，伙食又差，多名工人因饥饿晕倒在工地。马哈哈辩解说上面给的粮食和工程用料有限，自己也是巧妇难为无米之炊，姬心丹气愤的去找耿震山问个究竟，耿震山答应会给他一个满意的答复。经过彻查，耿震山查出是马哈哈私自倒卖工料和粮食挣昧心钱，让耿震山抓了个正着。经过宣判，马哈哈等一批黑包商被枪毙，心丹为马哈哈贪图不义之财葬送性命而痛心不已。耿震山带领战士们继续在工地上施工，突然接到上级电报：朝鲜战争打响。耿震山高兴的说终于又有仗打了！为了争取在参战前完成修铁路的任务，耿震山命令加快工程进度，姬心丹却为此很是担心。果然刚爆破的隧道塌方，两名战士牺牲了，耿震山被停职反省。
五六在隧道塌方中为保护书光受了重伤，书光来看望五六，告诉他自己报名上唐山铁道学院了。两人相约，书光学成回来跟他一起修铁路。丁军看出两人的感觉不一般，提醒耿震山多留意。耿震山接到命令让他继续留在铁路上参加西北铁路建设，只准许派一个侦察排参战。耿震山把这个机会留给了丁军，临走时将自己的战刀借给丁军，要他替自己多杀几个敌人。五六向耿震山递交请战书，耿震山让他先改好错别字再来，并要求他不许再和书光来往，委屈地离开。群众自发为子弟兵们壮行，书光焦急的拨开人群找到角落里的五六，五六失落地告诉书光上前线的名单里没有他，就匆匆离去，书光十分不解。书光接到唐山铁道学院的录取通知书，却一点也兴奋不起来。她希望五六能为她送行，五六无言以对。书光离开的日子终于到了，五六只能远远地望着汽车渐渐远去，不禁潸然泪下。常年的奔波令耿震山落下了胃病，文秀亲自熬好中草给他送去。耿震山想起了自己的妻子巧珍和从未见过面的儿子，一阵唏嘘。大梁弯隧道出现涌水，险情丛生，姬心丹果断要求撤离。洞内顿时塌方，积水迅速漫延，耿震山等人惊出一身冷汗。姬心丹冷静思考后建议造船进洞，查看涌水及地质情况并设法排水。耿震山激动地说，别说是造船，就是造飞机也想办法给他造出来。
刘金贵交给五六一个“光荣”的任务：给耿震山当警卫员，五六不情愿的接受了这个任务。在耿震山的带领下清理隧道的工程热火朝天的展开了，耿震山让五六安排炊事班给战士们做夜宵，五六却忘了，耿震山严厉训斥了他，五六哭着说想回连队打隧道，耿震山不许他打退堂鼓。耿震山接到电报说母亲病重，想让他带着孙子回去一趟，这下可难坏了耿震山，工程正在节骨鼓眼上，自己的儿子又下落不明。刘金贵给他出了个主意，让五六顶替他儿子，五六却执意不肯。文秀看出耿震山情绪不好，带他去看文艺队的演出散散心，耿震山却扔下大家一个人堵气走开了。文秀为耿震山表现提出不满，耿震山意识到自己过于鲁莽而感到后悔。文秀语重心长地劝说五六让他帮耿震山当回儿子，了却老太太的一桩心愿，五六勉强答应了。终于回到阔别十八年的老家，近乡情怯，耿震山见到步履蹒跚的父亲和久病卧床的母亲，难掩男儿泪，此情此景连五六也感动得哭成泪人。家乡因为耿震山的到来热闹异常，两位老人和五六一见如故，老母亲拿出珍藏的戒指送给五六，老父亲自给五六取名耿西北，五六从未如此的感动过。酒席散罢，耿震山说第二天他们就要离开了，从此以后他还是他，五六还是五六，五六不由得莫名失落。姬心丹告诉玉娘，兰州通车后，铁路将要一直往迪化修，玉娘一听急了，坚决不同意姬心丹再离开她。回到营地，耿震山过于劳累在帐篷中休息，恰逢兰州通车在即，他让五六在火车通过的时候叫醒自己。不想火车来的时候，五六却怎么也叫不醒耿震山，最后连自己也没看到首列火车的通过。五六委屈地哭了，耿震山答应将来一定带他坐一回火车，五六才转忧为喜。耿震山接到命令，部队集体转业，投入到青藏铁路的建设中去。耿震山接受不了自己不再是个军人的现实。五六时刻跟在他身边，耿震山叫五六不要再跟着自己了，自己不再是营长了。五六倔强的说我就要跟着你，因为你是我爹，我喜欢西北这个名字！耿震山激动地把五六揽入怀中。1952年10月1日天兰铁路通车，耿震山继续率队西征，修筑兰新铁路。
1965年，耿震山率铁道部第一工程局第八联合作业工程队奋战在乌稍岭工地上，这里海拔2950米，是兰新线海拔最高的区间。已从大学毕业的姬书光已经出落成一个清秀的大姑娘了，她坐着嘎斯车来到八队报到。文秀高兴的带着书光去见耿震山和心丹。此时的耿西北正在工地上一边指挥施工，一边和年轻的技术员杜寒松商量施工方案。守梁远远看到书光走来，激动地跑去告诉西北，西北默默不语。文秀带着书光到技术处熟悉环境，技术员杜寒松和书光相互留下了很好的印象。书光在西北工作的地方找到了他，西北看到眼前这个朝思暮想的女孩，却不知该说什么，只含糊的打了个招呼就留下书光一个人匆匆离去。书光和杜寒松西北提出关于青砚岭隧道的一些想法，西北流露出一丝不快。耿震山问起书光回来的事，提醒西北已经不小了，该考虑个人问题了，西北笑着搪推过去。姬心丹向耿震山建议让杜寒松和书光负责青砚岭隧道的项目，尽管危险性很大，耿震山看着大伙高涨的热情，也就同意了。西北得知工程由杜寒松和书光负责，气就不打一处来，恰巧杜寒松来汇报工作，西北没好气的把杜寒松打发走了，守梁对西北的反应疑惑不解。书光找到西北，问他如果是因为自己而拒绝接受这个方案，她愿意退出这个工程。工程如期开始，西北看到杜寒松和书光热情地拿着图纸讨论着，心里很不是滋味。工人们按照方案正在隧道施工，突然洞口坍塌，一片狼籍。西北指责杜寒松设计不合理，杜寒松认为工人没有严格按照技术指标施工，二人争得面红耳赤，书光也和西北发生不快，含泪堵气离开。夜晚，书光来向杜寒松道别，杜寒松看出书光的离去是因为西北，他诚恳地把自己对西北的了解告诉书光，劝说书光留下来，不然她会后悔的。文秀猜测西北最近情绪反常，是冲着书光来的，让震山跟西北好好谈谈。
西北鼓足勇气向书光道歉，可书光并不领情。在耿震山的追问下，西北终于说出心里话，这些年他一直在给书光写信，可始终没有回音，他以为书光上了大学，自己配不上她了。耿震山拿出厚厚一捆信，全是被他扣下的他和书光的信件。耿震山说怕他们年龄太小，谈恋爱影响部队的纪律和各自的前程。西北看到眼前这一切，痛苦万分。一群藏民在铁路路基上扎下帐篷，全然不顾工程的进行。刘金贵几经劝说无济于事，耿震山让工程队撤走，等做通藏族百姓的工作后再施工。西北看完书光的信，满心酸楚。他找到书光，把事情的来龙去脉向她讲明，恳求她的原谅，希望他们能重新开始。书光既震惊又难过，但她表示他们两人现在都应该好好冷静，把精力用在工作上。西北断定书光喜欢上了杜寒松，书光骂她无聊，西北一气之下走开，书光禁不住痛哭。西北考虑再三，决定向杜寒松表明自己很早就和书光在一起，警告他不要从中插一杠子。杜寒松并没有把西北的警告放在眼里。杜寒松问书光自己是否真的不应该夹在他们中间，气得书光哭着跑开。藏胞的帐篷在狂风中被掀翻，牛羊四散，耿震山下令所有休班人员参加救险，一定要保住藏族百姓的生命财产安全。守梁奋力救出藏族小姑娘卓玛和她的奶奶，自己却挂了彩。可书光却失踪了，杜寒松冒着风雨找到了陷在沼泽里的书光。书光挣扎着不让寒松救自己，可自己却越陷越深。命垂一线之际，杜寒松不顾一切救出书光。书光在风雨中委屈的哭喊着，杜寒松向她保证以后再也不会发生这种事了，二人的双手紧紧地握在了一起。雨过天晴，耿震山带领众人为藏胞们搭建帐篷，藏胞们感动地送上了奶茶。守梁喝着卓玛递上的奶茶，乐开了花，卓玛也羞怯的笑了。耿震山探望在救险中受伤的文秀，看着熟睡中的文秀，耿震山脸上流露中少有的温情。耿震山问西北恨不恨自己把他和书光的事搅黄了，西北说不恨，因为耿震山是他爹。耿震山说等他以后有了孩子就会明白了。
藏胞举行热闹的篝火晚会，守梁拉着西北一起参加，守梁和卓玛开心的跳舞。第二天，藏胞把挡在铁路上的帐篷都拆了，说等铁路修通的时候他们一定要来看火车。卓玛没有随藏胞一同离开，她找到守梁非要跟着他修铁路，西北让守梁赶紧把卓玛送回去。在回去的路上，卓玛把自己的手镯送给了守梁，守梁兴奋不已。西北发现守梁变得有心事了，守梁说他想有个家了，两个打小一起混大的孤儿，不由的满腹辛酸。夜里，杜寒松吹奏起悠扬的口琴，感染了文秀。她鼓起勇气向耿震山表露感情，她说想让耿震山有一个家，愿意一辈子照顾他，耿震山感动的拥文秀入怀。耿震山和文秀举行了热闹的婚礼，西北看到了书光，两人尴尬地躲闪彼此的目光。玉娘得知书光和杜寒松走得很近，让书光好好考虑，西北也是可怜孩子，该说的一定要说清楚，书光沉默不语。因为工程施工标准不达标，守梁和杜寒松由争执发展为动起手来。西北赶来劝架，结果也被搅入其中。耿震山一气之下撤了西北分队长的职务，让刘金贵兼任。成为一名普通工人的西北推着独轮车从隧道里出来，看见书光和杜寒松有说有笑，生气的走开了。耿震山找到西北，说爷儿们就该有个爷儿们的样儿，希望他从哪儿摔倒就从哪儿爬起来。书光和杜寒松一起看流星，杜寒松趁机向书光表示爱意，书光感动的接受了。由于杜寒松表现突出，上级决定将他调至更重要的工程。杜寒松认为是耿震山为了不让他和书光在一起，故意安排的。书光找到西北要说法，西北莫名其妙地被书光劈头盖脸的训斥一通，一着急冲着书光乱喊起来。玉娘让心丹请求耿震山准许杜寒松留下来。可无论耿震山怎么解释，玉娘就是不理解，心丹不得以拉着她匆匆离去。杜寒松终于没能留下来，临行前书光依依不舍，两人紧紧拥抱一起。
1958年冬，西北率众人艰苦奋战在老爷岭。姬心丹即将参加青藏线的踏勘，书光听说寒松也在青藏线上工作，托父亲给寒松带了些衣物。工地上越冬物资缺乏，耿震山让西北给书光送点心，西北尽管嘴上不乐意，还是硬着头皮去，结果被书光冷淡拒绝。守梁和卓玛这对有情人终于结婚了，回到工程队后见到兄弟们，守梁掩不住心中的喜悦。西北看着和自己摸爬滚打二十多年的伙伴终于找到了自己的幸福，也很开心。守梁劝西北再和书光谈谈，西北说书光心里一直惦记着杜寒松，别人很难走进她的心里。姬心丹乘坐吉普车行驶在青藏线上，严重的高原反应令他头痛难忍。司机小冯说负责给西藏运送物资的汽车团，每年每个团都有三十几名战士牺牲在青藏线上，这里太需要一条铁路了，姬心丹的心灵强烈震撼了。耿震山突然接到母亲病故的电报，悲痛欲绝。他带着文秀、耿西北面向东方为母亲烧了一把纸。耿震山感激地对西北说：谢谢你做我的儿子，让我跟爹妈有个交代。隧道内的涌水十分严重，西北请求停工，书光却要求必须封堵。西北无奈只好实施封堵。结果涌水越来越大，不料洞顶塌方，西北和守梁被石块压住动弹不得。经过抢救，西北被救了出来，而守梁却永远的离开了。眼睁睁看着自己的好兄弟就这样去了，留下了爱人和一个未出世的孩子，西北悲愤难当，当着众人的面痛斥了书光。书光难过不已，事后耿震山狠狠的抽了西北一耳光，骂他对书光太过分了。耿震山宣布免去书光技术负责人的职务，停职反省。西北陪在守梁墓前，回忆曾和守梁同甘共苦的难忘岁月，对着苍茫大地失声痛哭。西宁至格尔木段的地层大部分为软性片岩并有断层， 姬心丹建议对南线进行详细的勘测。经过严密的计划，杜寒松带领踏勘队开始对南线的勘测，姬心丹目送战友们远行，心中一片复杂。书光停职后在后勤帮忙做饭，每天默默忙碌着。耿震山看在眼里，疼在心里。他让文秀请书光来家里吃饭，借机开导她，只要她咬牙挺过这一阵，将来定会有一番作为的。书光在给杜寒松的信中表达思念之情，杜寒松的思绪也仿佛回到了遥远的书光身边。
西北来到藏区看望卓玛和她的儿子。他告诉卓玛守梁是为了救他才牺牲的，卓玛难过不已。西北把卓玛的情况告诉了书光，书光后悔自己当初的鲁莽。西北劝她想开些，一切都会过去的，就像他对书光的感情一样。他明白书光和寒松是真心相爱，从现在开始，他只把书光当作妹妹看待，希望书光能活得开心起来。1959年10月1日西宁通车，耿震山率领工程队向吾农山挺进。姬心丹和杜寒松欣喜地等着耿震山的到来，不料途中遭遇洪水，道路被冲断了，工程队不能按时到达。杜寒松等不及见书光，匆匆踏上了勘测的路途。耿震山和姬心丹终于会面了，二人激动的对饮叙旧。书光一见到父亲，几年来的思念和委屈一下子随泪水涌出，姬心丹安慰她说每一个人都有失败的经历，摔倒了再爬起来就是好样的。姬心丹把寒松临行前写给书光的信交给她，书光看着这些信，甜蜜的笑了。勘测途中，寒松病倒了，为了节省淡水，他干咽着把药吞下，工程师吴梦达看在眼里，很不是滋味。寒松拖着疲惫的病体在风沙中挣扎前行，终因体力不支昏倒在荒野中。西北听说杜寒松昏迷的消息，立刻跨上战马前去营救。他和队员们轮换抬着担架，在戈壁上飞奔着。医生说寒松是严重的肺水肿，必须立刻送到山下治疗。书光声嘶力竭的呼唤着寒松，耿震山表示不论多大代价，一定全力以赴救活寒松。姬心丹和耿震山为南线勘测的人选犯愁，书光主动要求接替寒松的工作，她说这是对寒松最大的支持。
