1941年秋，日军集中5万多兵力对我山东八路军根据地进行扫荡，以多路多梯队分进合并，铁壁合围，企图一举摧毁根据地，消灭我领导机关和主力部队。八路军115师独立团3营坚守沂蒙山某阵地，战至最后一人，但还是让日军撕开一个口子，营长赵大鲁在战后被抬回去抢救。在敌众我寡的情势下，总部首长决定将部队、机关化整为零分批突围，保育院也在转移之列，把孩子交给老百姓并不安全。

田小二在厨房里故意闹事，他想被开除，保育院王院长要拉他去见祁政委时田小二才承认错误。八路军被服厂在转移途中被日军袭击，保育院转移的时间还没消息，三团郝团长转移前找到王院长将一封信交给她。日军的铁壁合围计划进展没想象中的顺利，日军第十七师团中将细川元敏命人寻找八路军总部。

保育院的胖嫂十分乐观，祁政委的研究撤退线路时被儿子豆豆打扰，豆豆被训斥，豆豆妈进屋后让他去院里等着，豆豆才回到两人身边不到半年，她想将豆豆交给王维若，但祁政委准备解散保育院。王维若了解情况后找首长反映情况，她拿出家长们的信读起来，那些信实际上就是写的遗书，首长们听完后都流泪了，王维若提出保育院转移的条件。

田小二是保育院的混世魔王，他也想上战场打鬼子。王维若回到保育院后准备给孩子们新增课程，他们要做好长行军的打算，新来的医生吕振邦要和保育院一起转移，保育院里大多数是烈士们的孩子，他们转移时祁政委将腰上的配枪交到王维若手上，还将田小二叫到跟前嘱咐一番，田小二看到他口袋里的怀表后借拥抱之机将它偷走。

日军飞机突然袭击15师独立团驻地，随后日军骑兵发起攻击，八路军的撤退迫在眉睫，祁政委最担心保育院在撤退途中遇到危险，他想起赵大鲁。赵大鲁的右手残废，但经过康复训练还可能恢复，他急于返回部队。王维若率保育院来到贾家峪村，护送他们的只有一个班的兵力。赵大鲁因伤要算在医院的转移编制，但他穿起军装要返回战场，刚一上马就从上面摔下来，等再上马时被祁政委拦住。祁政委安排“神枪手”赵大鲁前去协助保育院安全突围。

赵大鲁不理解祁政委的做法，他拿起枪要将子弹上膛时才意识到左手不行，祁政委命令他坚决完成任务，赵大鲁只好前往，护送保育院的警卫班是从部队首长身连抽调的，赵大鲁决定马上出发，他有两个条件，祁政委将他的马送给赵大鲁，赵大鲁还想完成任务后返回前线，祁政委答应下来。

日军对村庄进行侦察，田小二和祁豆豆在屋内打闹，祁豆豆看到他爸爸的怀表在田小二身上，田小二谎称是祁政委送的，那怀表是周副主席送给祁政委的结婚礼物。保育院转移人员在贾家峪村的一户村民家中住下来，侦察日军听到喊叫声音后前去查看情况，邵班长将明哨改成暗哨。

吕振邦帮村里妇女生产，胖婶的儿子小胖偷吃馒头时被胖婶发现，他也是饥饿所致，王维若劝说之下才分开两人。侦察的一名日军被警卫班打死，另一名逃走，邵班长建议连夜转移。日军得知保育院的情况后猜想贾家峪村的是师级以上部队，他们决定马上赶过去。吕振邦为孕妇做手术，主要是孕妇胎位不正。保育院在老乡贾旺财的指点下连夜赶往后山躲藏。

贾旺财的老婆经过手术后顺利生下一名婴儿，贾旺财打算将老婆送到大伯家中，还给儿子取名邦邦。日军来到贾家峪村时贾旺财送吕振邦上山，贾旺财的老婆和儿子邦邦留下在村里，贾旺财赶回家时被日本人抓起来，他媳妇也被带出来，日军要知道八路军的下落，被逼之下贾旺财只好带日军上山，邵班长准备在山口阻击日军，王维若继续向山里进发。

贾旺财的媳妇因怒斥日军时被杀害，邵班长带人对日军发起攻击，贾旺财借机躲藏起来。

王维若和于老师回到山口时看到邵班长等人已经牺牲，日军的尸体也倒了一地，王维若拉着于老师离开，她们要带着勇气继续前往。赵大鲁路过贾家峪村时带走了贾旺财媳妇手里抱的孩子，他也在不时地寻找保育院，王维若回去后向孩子们说起邵叔叔等人去打日鬼子了，剩下的路要他们自己走，田小二等人不惧怕前方的困难。

孩子们看到王维若和于老师留眼泪，于老师担心贾旺财会继续出卖他们，还指责胖婶话多，到李家村还有两天路程，途中遇到的情况都是不可预料的，于老师建议往回走再让祁政委保护他们，王维若表示反对，她坚持要去李家沟。赵大鲁在途中为保护婴儿让马趴下再坐上去，荒郊野外也没法找吃的东西，婴儿因饿哭叫的厉害，赵大鲁听到羊叫的声音后悄悄摸过去将羊捆起来，那羊正好有奶，赵大鲁将奶挤出后放在葫芦里喂给婴儿，他为其取名叫棒棒。

祁豆豆向吕振邦问起邵叔叔是不是牺牲了，田小二明白他们已经死了，吕振邦不好回答，她为孩子们讲明道理，王维若让于老师带孩子们唱歌来分散他们注意力。冈村命人活捉保育院的孩子们，他们想以此来要挟八路军的作战部队。赵大鲁牵着马来到保育院休息的地方，他一眼就认出王维若，还拿出祁政委的信，王维若集合队伍，她看出赵大鲁带来的羊是偷来的，赵大鲁让他们换上衣服后马上离开，王维若接过赵大鲁手上的婴儿。

吕振邦认出那婴儿是自己接生的邦邦，身上还发现那个穿透的核桃。田小二找赵大鲁聊天，他自称十五岁，赵大鲁看出他志气不小，田小二不想和女人们呆在一起。日军准备在半路上拦截保育院，清水认为活捉他们不成问题。赵大鲁催促王维若马上出发，李呼噜学田小二变魔术而吐了弹壳，吕振邦让他平躺下来，还安排胖婶找野韭菜服下，等李呼噜拉屎的时候再看情况。日军通过飞机空降特种兵跟随清水去执行任务。

于智华拿着干粮给赵大鲁送去，她听说过他做手术的情况。日军在贾旺财的带领下踏上寻找保育院的道路，贾旺财还不知道媳妇已死。王维若听人说起过吕振邦的事迹，吕振邦曾给很多大人物看过病，李呼噜拉出弹壳后众人收拾行装准备出发。

赵大鲁认为此时已经错过了去李家沟的最佳时间，王维若不知道下一步该如何行动，祁豆豆知道三十里外有黄河支队，他看过爸爸祁政委的日记，赵大鲁也同意穿过敌人的封锁线后找黄河支队，但王维若和他意见不统一，她坚持去李家沟，争执之下赵大鲁决定去李家沟侦察一下。清水率人发现接应保育院的游击队后将其消灭，然后换上八路军的服装等待保育院的到来。

赵大鲁骑马准备去侦察情况，田小二跟在后面想和他一起去，赵大鲁发现后让他回去，但田小二还是和他一同前往，两人看到骑自行车的假八路，赵大鲁让田小二利用黑暗跟上换岗的回他们驻地查看。王维若向胖婶说起田小二的来历，她知道他故意使坏是有原因的。

赵大鲁判断对方肯定是专门对付保育院的，他和田小二回到营地后说明情况，王维若听到接应同志都牺牲的消息后哭起来，还主动检讨并向赵大鲁表示感谢，以后只能靠他们自己，赵大鲁提议去找黄河支队，他提议先去李家沟给那些日军照面。赵大鲁和田小二扮成送柴的人来到日军岗哨前，岗哨被消灭一人，清水听到马叫的声音后率队骑车追赶出去，等追上时才发现只是空车，清水恼火至极。

赵大鲁和田小二赶往汇合地点，他在途中讲起自己的往事，田小二也希望他能成为像赵大鲁一样的神枪手。保育院连夜赶路，困乏之际于智华唱起歌曲，赵大鲁、田小二在约定地点和保育院的队伍会合中，小朋友们跑向田小二跟前。田小二向小朋友们讲起侦察时的故事，赵大鲁夸奖田小二当时的勇敢。王维若批评田小二的做法，赵大鲁替他解脱，王维若将赵大鲁叫到一旁后大加指责，她不想让田小二参加战斗，田小二听到他们的谈话。

赵大鲁让保育院的人都换了老百姓的服装，只能走小路且不能进村庄。于智花拿鸡蛋给赵大鲁送去，她对他很有好感，还配服赵大鲁的决定，胖婶看不惯于智华的做法。王维若听吕振邦说起儿童保健的知识，她一直想找个机会向她道歉，王维若之前小看了吕振邦。祁政委收到电报后得知李家沟游击队接应失败的消息，他派出侦察员前往了解情况。王维若和赵大鲁了解前方封锁线后准备以做游戏的方式让队伍分队通过。

赵大鲁考虑到安全问题决定穿越深山绕道封锁线，王维若让孩子们演示了训练成果，于是他们决定大胆一试，结果安全通过，只是在通过时把羊丢失，赵大鲁回去找羊，小胖在山上找羊时捡到一只野兔，他踢住砖头后惊动了巡逻的伪军，羊来到小胖的藏身处后才让伪军放松警惕。

等伪军走后小胖将羊带走，清水找不到保育院的队伍后向总部请求空军侦察，祁政委也没有他们的消息，他猜想保育院可能采取了翻边的策略。田小二编了笼子给兔子装到里面，胖婶指责小胖偷偷离队，还动手揪起他的耳朵。王维若将香皂和毛巾送给赵大鲁时被拒绝，赵大鲁已经习惯了自己的洗脸方式。

日军飞机侦察到保育院的行踪，赵大鲁让孩子们分散隐蔽起来，敌机走后赵大鲁指责起来，王维若提醒他注意分寸，孩子们头顶上的水盆引起日军飞机的注意。清水收到空军侦察的消息后从地图上判断情况，日本飞机对仰山地区的河旁投下炸弹，田小二站起来后被赵大鲁救下，于智华去河边拿旗袍时险些中弹，等她到河边时看到被洗的旗袍已被炸毁。

于智华从河边回去后被胖婶指责，她和她大吵起来，吵着还动手打起来，王维若上前将她们拉开，赵大鲁向空中开枪提醒她们住手。清水率日军小分队赶往仰山地区，保育院又踏上新的征程，王维若在途中劝赵大鲁安慰田小二，赵大鲁接受她的建议，他爹娘也是死于日军飞机的轰炸之下。

保育院一行来到老庙河旁，赵大鲁让他们先去芦苇荡中休息，他去找老乡了解情况，过了老庙河就能找到黄河支队。追赶的日军在仰山河旁发现被日军飞机轰炸的情况，他们判断保育院去了老庙河。赵大鲁从老乡那里得知老庙河周围的防卫情况，渡河面临困难。田小二手里的怀表水干后自动转起来，祁豆豆想看时被他推开。

赵大鲁在老庙河边发现小船上自己同志的尸体，他清楚只有炸了碉堡才能安全渡河，日军碉堡里新加了远程机枪，王维若提议破坏碉堡时原远程机枪，她想先切断碉堡和外界联系的电话线后假装修理工进入碉堡，赵大鲁准备和王维若一起过去，田小二因偷了怀表被小伙伴们指责，他开始脱衣服以证明自己的清白，怀表在祁豆豆的口袋里。

田小二不听劝说跳入河水里，赵大鲁听到声音后赶忙下水将田小二捞出来，田小二吐了几口水后醒了过来，他从祁豆豆的口袋里拿出怀表，一气之下将孟菲飞推入河里，赵大鲁赶忙将她扶起来，王维若平息这场风波，于智华带着他们进入芦苇荡。赵大鲁和王维若准备进入碉堡伺机行动，日军离老庙河越来越近。

赵大鲁搞到两身伪军服装换上后和王维若前行，她没参加过战斗，王维若想让他教自己练枪。胖婶带着李桂英去破坏碉堡和外界的电话线，李桂英爬上树将电话线剪断，但发现蒙蒙不见了，胖婶四处寻找。赵大鲁和王维若藏在草丛里被发现后只好出来，他们以修电话线为由进入碉堡。

清水率日军在芦苇荡中搜索，吕振邦看到搜索的日军后急忙让孩子们隐藏起来。胖婶找到蒙蒙后遇到清水等人，她谎称是附近的村民，见到李桂英后让她上树剪断电线。清水怀疑保育院的人就在附近，他们赶往树林，李桂英在树上将电话线剪断，赵大鲁听到布谷鸟民的声音后让王维若上高处修理电话线，王维若趁机拆除了碉堡内远程机枪的配件。

赵大鲁借机调开碉堡上面的士兵，王维若成功后给李桂英发出信号，李桂英看到地上的日军后十分害怕，等日军离开时她将电话线接好，胖婶抱着蒙蒙往前跑。清水率人继续在芦苇荡里搜索，如果搜不到他们将放火。田小二带着手雷吸引搜索的日军，李桂英从树上下来后发出信号给赵大鲁，吕振邦听到信号后带孩子们赶往河边。清水率人追上田小二，田小二扔出手雷后跑走，可惜手雷没响。保育院的人员坐上船后开始渡河，因等不及田小二他们才先行动。