1941年秋，日军对八路军山东根据地实施“铁壁合围”大扫荡，形势异常严峻，总部决定将机关化整为零，分批转移。祁政委等首长因护送兵力不足忍痛决定解散保育院。保育院院长王维若得知此事后，找到了祁政委和几位首长并给了他们一个保育院必须安全转移的理由，几位铁骨铮铮的首长皆听得不禁落泪，最后决定派一个班的战士保卫保育院转移，并派一老军医吕老太随队，王维若也立下军令状“一个孩子都不会少”。

战斗形式瞬息万变，祁政委担心保育院会有危险，就派在战斗中负伤又急于返回部队的“神枪手”营长赵大鲁前去指挥保育院安全突围。与此同时，保育院遭遇了日军骑兵，村民贾旺财让保育院隐藏了起来，当日本人用他刚出生的儿子威胁他，要他带队找出八路军保育院的时候，他妥协了，但他妻子还是死于日本人手中，孩子被赶来的赵大鲁救起。战士们则为了掩护保育院安全撤离全部牺牲。

一心要回战斗部队的赵大鲁与保育院汇合，但却心有不甘，老是觉得女人和孩子太烦，而且在突围路线和孩子的生活细节管理问题上与王维若产生了严重的分歧，但是两个人在危险和困难面前思想却非常一致，那就是保护孩子们的安全。在此期间，保育员一枝花对战斗英雄赵大鲁崇拜起来，而另一保育员胖婶则对一枝花的“轻浮”行为嗤之以鼻。

赵大鲁判断在会合地点李家沟日军可能已有埋伏，经过商讨，保育院决定出其不意的使用“翻边“战术去投奔我军另外一支部队。日军上尉清水得到保育院正在突围的情报后，带特种兵开始疯狂追击。保育院磕磕绊绊的来到了部队驻地，但是部队已经开拔，只留下了接应的孕妇通讯员唐守兰。

为穿过老庙河封锁线，赵大鲁领王维若乔装进伪碉堡机智勇敢搞坏了重机枪，但和田小二闹矛盾的孟飞菲不慎落水后发了高烧，为给孟飞菲弄药，保育院被国军一部抓捕，赵大鲁更是因和国军郑团长的私仇被打得遍体鳞伤，但在日军强行攻击渡河的国仇面前，郑团长还是选择了阻击日军，放赵大鲁去保护孩子们转移。

清水小分队一路尾随保育院而来，就在袭击马上要得手的时候，一拨土匪击溃了他们，并将保育院劫持上山。土匪头目三炮看上了一枝花欲求婚，但被土匪老大、老二制止。日本人威逼利诱让土匪交出孩子，三个匪首意见不和起了内讧，土匪老二欲将保育院引进鬼子包围圈，小保育员李桂英为保护孩子牺牲。危机时刻，土匪三炮送保育院从后山秘密索道转移，并顺利找到了平乡八路军团部。

气急败坏的清水在细川中将的介绍下找来了被日本人“驯化”的儿童间谍——花子王，花子王很顺利就接近了保育院。由于战事紧张平乡团部接到命令要紧急开拔保卫总部，同时赵大鲁也得知唐守兰的副团长丈夫已经牺牲，他和王维若决定先瞒着唐守兰。清水得知八路军团部开拔后开始围捕保育院，在留守的八路伤员及当地百姓的拼死掩护下，赵大鲁、王维若带保育院得以撤退。

保育院撤到一山谷，仍危机四伏，赵大鲁一人回到土匪窝搬救兵，王维若和一枝花都为他捏一把汗。危机时刻，王维若带领保育院演绎了一场空城计，赵大鲁和土匪三炮带人最终赶到，吓跑了清水小队，解救了保育院。

花子王又奉命回到保育院下药，但还是良心发现打翻了下药的汤，同时他也发现王维若就是自己失散几年的姐姐。保育院一行人来到一个财主大院，清水也尾随而至并采取了突袭行动，赵大鲁和三炮等施以苦肉计迷惑，斗智斗勇，清水以失败告终，但三炮负伤，跟他来的三土匪战死。王维若和花子王姐弟相认，花子王警告赵大鲁不要喜欢自己的姐姐，姐姐有意中人。

祁豆豆突然身患天花，吕老太指挥唐守兰做隔离措施避免传染。根据病重的祁豆豆绘制的地图，赵大鲁做出集体过沂城的决定，以达到给祁豆豆、三炮治病及“翻边”脱险的双重目的。在沂城他们遇到了王维若的前男友、现任保安司令部马司令的准女婿魏永刚，王维若以为他早已叛变，百感交集。三炮在医院碰到来医院治伤的清水，三炮被捕遭毒打致死，一枝花等悲伤不已。唐守兰也知道了丈夫牺牲的消息，顿时崩溃。其实魏永刚是潜伏下来的地下工作者，暗中为八路军搞到枪支，并最终为营救保育院中枪牺牲。

祁豆豆和田小二、孟飞菲被抓到日军秘密学校，清水追踪而来。花子王帮助赵大鲁和王维若解救，几经搏斗周旋，赵大鲁和清水落入山崖，三孩子在花子王的掩护下终得以逃脱，但随即又陷入死而复生的清水追踪。保育院到达了新的集结地朱辛庄，在鬼子的搜索中，一枝花为保护孩子负重伤，吕老太带胖婶抢救效果甚微。

花子王救活了赵大鲁，终于与三孩子先后与保育院会合，但一枝花没等到三孩子归来就牺牲了。这时，八路军的反扫荡战斗已取得了决定性的胜利，眼看要脱离危险，但保育院全体人员还是被清水率鬼子抓住关到了碉堡里，准备押上战场充作人质，以扭转败局。唐守兰的孩子在最危机的时刻出生了，祁政委率领众骑兵赶到相救，孩子们一个不少的与亲人团聚了。