1963年，吴天云由江苏扬州医专毕业，与一批江南学子一起分到南疆的帕米尔高原。坐了7天的卡车，吴天云和同学王成林到达克孜勒苏州的乌恰县。荒原上县医院的条件不堪入目，面对饮食不习惯，语言又不通，开了药方而无药可取的困境，他震惊而沮丧。第二天天亮了，一辆马车拉着一位因胃出血而休克的柯族牧民急驰而来。情况紧急，送病人去州医院已来不及，吴天云请示手术抢救，但是李院长却告诉他医院没有手术刀。眼看着病人死去，亲属们呼天抢地地哭喊，吴天云忍不住眼眶一湿。王成林趁机鼓动说，在缺医少药的地方当医生，只能空有一番抱负。二人商议后四处发信，要求重新分配或调动工作。

吴天云欲给一位扁桃体炎患者做切除手术，李院长支持他并挪出钱买回器械。不料一个小手术他竟然做了几个小时，而十分痛苦的柯族病人却对他毫无怨言；牧区妇女难产，他因为不会骑马而与牧民合骑一匹马赶路，赶到时产妇已死，牧包前哭声一片。李院长告诉他这里柯族产妇的死亡率很高，“只见娘生儿，不见儿叫娘”的事常有。这几起事件深深地触动了吴天云。此后，他开始学骑马，学柯语，钻研业务，并将自己的血输给一位子宫大出血的柯族妇女。吉列根什公社发生了流行性麻疹，吴天云和木沙江骑马跑了3天路赶到，此时，扬州的电报也追了过来。一边是等待抢救的患儿们，一边是病故的母亲，何去何从，吴天云的心被撕成了两半……

麻疹患儿们得救了，吴天云和木沙江在牧区巡诊后返回。一天，小学生吉恩斯被蛇咬伤，吴天云紧急处理时，用嘴把伤口里的蛇毒吸了出来，送吉恩斯来的年轻教师史华，更加深了对已有一面之交的吴天云的好感。史泰山由卫生厅调到克孜勒苏州当卫生局长，他是史华的二叔。他告诉吴天云和王成林，两年前之所以没有给他们回信，是因为他解决不了他们要求再分配的问题，新疆地广人稀，民族众多，可是医疗卫生保健事业却非常落后，牧区是太需要医生了。为提高当地的医疗技术，他批准吴天云回扬州进修外科。回到山青水秀的江南，吴天云忍不住对乡亲们讲起新疆的风情，他的话引起了一个姑娘的向往，父亲也希望他能找一个家乡的姑娘。面对家里孤独的父亲和年幼的弟弟，他同意了。

吴天云进修回来正式挂起普外科的牌子，并和其他医生在自己养的狗身上做手术试验。吴天云的新娘田桂林来到乌恰县后，荒凉的景象与她梦中的新疆截然相反，再加上生活不习惯，失落感油然而生。山区发生雪崩，吴天云丢下怀有身孕的田桂林带队下去抢险，等他带着满脸的冻伤回来时，困守在家的田桂林委屈得像个孩子般哭起来。一天早晨，吴天云依依不舍地将田桂林送上汽车。牧民阿斯卡尔患结肠癌昏死过去，吴天云给他做人工呼吸，并顶住压力毅然给他做了切除手术。7月7夜，他守在病床前直到病人睁开了双眼，这一手术的成功使乌恰县医院的医术上了一个台阶，许多病人慕名而来。王成林返回乌恰，为了能调回去，他也找了一位家乡的姑娘。边境发现鼠疫，需要吴天云去救治。辗转牧区时，喜讯传来，田桂林生了儿子。

“文革”的烈火终于烧到了边境，史泰山的腿被打断。牧民托肯的孩子托乎塔森严重烧伤，送到医院已气息奄奄。吴天云紧急抢救，让他渡过了休克和感染两大难关。为了使创面更好地愈合，只能植皮。托肯一听要割他的皮，吓得魂不附体。经过动员，他勉强躺在了手术床上，但听见刀叉碰撞的声音，又吓得跑去躲进马厩。孩子已上了麻药等待植皮，晚上的供电时间也快结束了。托肯终于战胜了恐惧心理，回到手术室，却见吴天云正从自己的腿上一片一片的割下皮来，从此，托肯逢人便讲汉族医生的美德。这时，州上的造反组织开车揪斗史泰山，吴天云和李院长也一起被架走。押送的卡车行至半路只见疾驰的马群狂奔而来。柯族骑手们吆喝着将卡车团团围住，司机只好调转车头，在牧民们胜利的欢呼声中将3人送回乌恰。

十几年过去了，史华的学生恩斯从卫校毕业成了吴天云的助手。在吉恩斯的婚礼上，一封离婚书送到吴天云手里。望着婚礼的喜庆场面，他强压住内心的酸楚。又有产妇难产，吴天云正要出发，王成林急急跑来，说商调函终于来了，自己马上要回家去办调令。他还说，因为吴天云关于烧伤创面愈合的论文很有价值，扬州医院烧伤科同意调他回去。吴天云很兴奋，相约二人在扬州见面。路上，他突然胃疼难忍，狂风袭来，不慎滚落马下，脚被马蹬套住，整个身子任奔跑的马拖着，吴天云昏死过去。他被牧民莫合恰依救回帐篷，醒来后又挣扎着连夜赶路。他输血给产妇，为其顺利接生后，又晕了过去。莫合恰依用车将他拉回自己家里调养，牧民们给他送来许多羊肉。王成林返回，并带来了吴天云的儿女。