萬里黃河無盡，遍地蒼茫，一道咆哮猶如雷霆萬鈞，劈開大山與峽谷，阻斷沙漠與高原。崇山峻嶺處，萬千戶樸實人家，面朝黃土背朝天，一代又一代歌頌著斗爭和勞動，智慧和愛情，邁進二十世紀，迎來八十年代。
時值一九八四年盛夏，綠樹如茵，芳草萋萋，掛滿雪白粉絲的曬臺上，鉆出經營能手劉立本家的二閨女劉巧珍。忽聞遠處傳來一聲熟悉的吆喝，通往縣城中學的盤山路，兩輛自行車如云鷹般破空而出，載著高家村十八歲的考生高加林、高雙星競相飛馳。
劉巧珍謊稱是往縣城姨家的飲食店送貨，實際掐準學生們每日經過的時刻，全神貫注守著心心念念的高加林，開著拖拉機緊追不舍。高加林翻山越嶺走捷徑，當他在鈴聲響起前一刻飛奔至學校，發現高雙星已是穩穩當當坐在教室里，勝負結果顯而易見。
近些年來，在讀學生數不勝數，可是從未有人走出縣城讀大學，也就意味著高考錄取率幾乎為零。縣委政府非常重視今年高考，為能改變這種尷尬的現狀，特地邀請縣教育局馬股長來到高考重點班發表講話。
股長馬占勝上臺先扇自己耳光，聲嘶力竭動員考生們好好復習，爭當第一，若是想要獲得高考資格，必須要通過全面摸底預考，并且承諾預考成績前十名來縣委大院領獎，他會親自出錢買獎品。一番動員結束，大家斗志昂揚，齊聲喊口號，投入到刻苦學習之中。
劉巧珍悄無聲息地站在門口觀望，又把高加林騎壞的自行車搬上拖拉機，等到二姨夫修好后放回原處。校長建議黃亞萍聯合高加林寫篇稿子反復廣播，借此機會鼓舞眾考生，黃亞萍爽快答應下來，跟著高加林等人跑去劉巧珍二姨家吃粉。
四碗粉配上四瓶汽水，播放一首《在希望的田野上》，四人侃侃而談。黃亞萍家境優越，衣食無憂，就算隨父來陜北，以她父親是縣武裝部部長的身份，照樣能謀個好出路。反倒是高雙星和張克南前途未卜，高加林更是毫無退路，發誓必須考上大學，否則只能回家種地。劉巧珍默默站在身后，聽著他雄心壯志的話語，目光充滿愛慕與崇拜。
經過一夜緊張復習，考生們有序進入考場，成敗在此一舉。高加林回去路上重溫考題，總覺得自己選錯政治題答案，擔心會因此失之千里差若毫厘。而在另一邊，高家村書記高明樓給父老鄉親們普及土地承包，響應國家號召，看到孩子們回來的身影，這才草草結束會議。
劉立本提醒女兒少往外跑，應該在家里學點女人手藝，遲早要相看尋婆家。劉巧珍不滿父親讓自己過早輟學，生氣叮囑小妹巧玲好好學文化，千萬別步她的后塵。高雙星回家被老爹念叨著考大學，出人頭地，好好一頓飯吃得倍感壓力。
高明樓知道自家兒子比不上高加林，專門找他探聽消息，就想知道倆孩子之間的差距有多大。高加林趁此機會向高明樓討教政治題，而他獨特觀點令高明樓又喜又驚，喜的是高家村肯定會出一個學生，驚得是他比高雙星優秀太多，遲早要占高雙星的風頭。
等到預考發榜當天，高加林以全縣第一的成績遙遙領先，黃亞萍獲得第五名的好成績，就連高雙星也通過預考，唯有馬栓預考落榜，情緒崩潰痛哭，看得大家心里不是滋味。新上任的趙所長下令登記補齊各村戶口卡，高明樓親自來了一趟縣城，迫不及待跑去跟馬占勝詢問預考成績情況。
然而馬雙喜勉強過線，學習沒有積極性，與高加林對比鮮明。高明樓急得抓心撓肝，能夠把孩子送出大山溝是他畢生夙愿，又聽聞秦縣長表彰接近前十名考生，為能讓高雙星有資格參加，不得不動用人情說服馬占勝幫忙。
校長召集老師宣布兩件事情，第一是做好落榜學生的思想工作，第二是為預考通過的學生重新組建高考班，交由老師景若虹負責。景若虹考慮學生們這段時間太疲憊，建議舉辦一場聯歡會，借此機會給他們動員打氣，現場朗誦一首詩歌，黃亞萍更是上臺獻舞。
因為高加林成績優異且文化水平高，高明樓囑托他帶著高雙星共同進步。這天夜里，高加林拉上高雙星來圖書館夜讀報刊時政，忽然暴雨降至，二人偶遇流落街頭的馬栓，熱心把他領回宿舍。
馬栓坦白自己三年復讀沒過預考，實在無顏面對父母，才想繼續待在縣城，目前走一步看一步。高加林和高雙星心里不是滋味，顧念彼此間的同學情誼，建議馬栓先住在宿舍，吃飯問題交給他們解決。
沒過多久，學校迎來秦縣長接見優秀考生以及家長，秦縣長當眾表揚高加林及其父親高玉德，站在后排的高明樓滿是羨慕，趕緊拉著兒子高雙星介紹給秦縣長認識。沒承想，新上任的秦縣長居然是高明樓舊相識，從小吃百家飯長大，又在高明樓家里住過一段時間，心里記掛著他對自己的照顧。
也正是這次與高明樓重逢，秦縣長非常高興，高明樓更是喜不勝收，得意洋洋地站在秦縣長身邊。待秦縣長表達對考生們的祝福后，親自給前十名考生送上獎品暖水瓶，真心希望大家早日走進大學，刻苦學習，無論何時何地都能成為有知識有文化的棟梁之材。
隨后高加林等人來到二姨家吃粉，二姨夫專門準備紅雞蛋鼓勵他們。高加林無意間瞧見劉巧珍，拉著她去外面說起馬栓的事情，想要介紹馬栓打雜，也好有安身之處。劉巧珍爽快答應下來，滿臉嬌羞地回到店里。
考前百日誓師大會，高加林作為代表上臺，帶領大家宣誓，場面極其壯觀，充滿斗志，誓言響徹黃土高坡。很快學校發布高考志愿錄取分數，高加林目標是要去上海或西安，高雙星聞言若有所思。
馬栓看著電視里播放著中國女排的紀錄片，感慨她們的精神百折不撓，繼而對自己妄自菲薄。劉巧珍耐心勸導馬栓，鼓勵他走出自己的路，無論合適與否都要嘗試。果然馬栓深受啟發，考慮再三決定回家直面父母，臨行前與高加林道別。
黃亞萍父親犯老胃病，高加林親自送她去醫院，順便向見聞廣博的黃父征求意見。黃父推薦高加林報考上海浦江學院，盡管這所學院名氣不如其他，可是分數線較低，師資優良，專業多且選擇性多，聽得高加林心生向往。高雙星沒有理想大學，聽聞高加林要考上海浦江，索性填寫相同學校，幻想二人繼續當室友。
距離高考僅剩十天，考生們在教室里緊張備考，景若虹慷慨陳詞，鼓勵大家克服困難。遠處黃土高坡上，劉巧珍滿懷愛心，放飛祝福高加林考試順利的紅色氣球，直至氣球沒入群山疊翠，翱翔于綠色海洋之中。
這一年高考天氣炎熱，數學試卷難如天書，就連老師都無從下筆。前十名優秀考生，其中不乏交白卷；中途放棄；以及中暑昏倒，僅剩二人尚在堅持。黃父突發疾病送往醫院，黃亞萍寸步不離與高考失之交臂，所幸黃父度過危機保住性命。
雖然高加林苦撐著答完試卷，可是他心里七上八下，實在是沒有底。等到最后一場考試結束，全體學生歡呼雀躍，大包小卷地騎車離校回歸家鄉。黃亞萍獨自站在學校門口，看著緊閉校門和高考橫幅，內心五味雜陳。
一個月時間轉瞬即逝，高加林回到家都是廢寢忘食，整天書本不離手，唯恐自己考砸辜負父母的心意。高明樓同樣為兒子犯了愁，詢問他考試成績如何，高雙星懶得回應，直接表示權當自己考試不合格。
這天高明樓接到郵遞員送給高加林的信，不出意外正是錄取通知書，而他心情沉重來找高加林，臨至家門口猶豫不決。高加林滿懷期待跑出來迎接高明樓，可當聽聞高明樓是來人口普查，滿臉失落難以掩飾。烈日高懸，照得高明樓萌生出陰暗念頭，拿著高加林的戶口本直奔縣城，火急火燎地找到馬占勝。
晨曦初升之時，高家村迎來高雙星考上大學的好消息，當這份喜訊響徹整片山谷，猶如一聲炸雷，徹底擊垮高加林內心深處的最后一道防線。此時此刻，高加林意識到自己會與祖輩一樣的農民，衣衫破爛，塵土滿面，永無實現夢想的機會。
高明樓想要來個雙喜臨門，主動找劉立本商量把兩家孩子婚事提前，劉立本毫無異議，巴不得與高家結為親家。高加林無法接受自己落榜的事實，呆在房間里不吃不喝，黯然神傷，雖然父母看著心疼，卻還是勸他參加喜宴，畢竟高家對他們有恩。
第二天清早，高家熱熱鬧鬧地辦酒席，鄰里鄉親歡聲笑語。反觀高加林如坐針氈，獨自躲在角落里望著遠方出神。日頭藏在云層里，難以直視這一幕的悲喜，劉巧珍找借口帶高加林離開喜宴，看著他情緒崩潰的痛苦模樣，也跟著哭了起來。
宴席結束后，月上柳梢頭，高明樓有些愧疚地來找高玉德夫婦，承諾會給高加林找份合適的工作。高玉德夫婦被蒙在鼓里，還對高明樓感恩戴德，又怎料高明樓回家喊醒尚且沉浸在喜悅之中的高雙星，親口交代一個不為人知的秘密。
原來高雙星根本沒有考上大學，高明樓聯合馬占勝在幕后操控錄取結果，從而讓他冒名頂替高加林前往上海。高雙星聞言十分震驚，本性善良的他不愿占用高加林的名額，執意要去跟對方說清楚。
關鍵時刻，高明樓跑來攔住兒子，強行將他生拉硬拽回家。偏巧劉巧英在窗外聽到談話內容，高明樓苦口婆心地勸說，又在高母的眼淚感化下，高雙星背著負罪感默許父親的安排。盡管劉巧英不恥高明樓的行為，可她嫁給高大星已是高家人，注定兩家綁為一體，就算知道秘密也要爛在肚子里。
隨著高加林日漸消沉頹廢，不僅愁壞了父母，更是牽動著劉巧珍的心。劉巧珍找村里德高望重的德順爺商量對策，德順爺是看著娃兒們長大，對他們知根知底，于是建議劉巧珍想辦法多跟高加林說話聊天，有事情不能憋在心里，否則遲早會出問題。
按照德順爺提供的辦法，劉巧珍親自做好一筐棗花饃送過去，熱情洋溢地勸慰高加林，豈料遭到高加林劈頭蓋臉地叱罵和驅趕，嚇得她躲在樹后面捂嘴痛哭。當天夜里，高加林似乎想通許多事情，拿起棗花饃狼吞虎咽。
高雙星準備出發去上海，鄉親父老敲鑼打鼓相送，令高家父子猝不及防。高雙星自知這份體面從何而來，無顏面對大家，拖著行李就繞著山坡走，結果發現高加林站在前方。高加林拿出珍藏的鋼筆作為禮物送給高雙星，并且表示自己會復考一年，約定明年相見。
上海浦江學院迎接新生當天，老師樊文修在講臺上自我介紹，還讓同學們逐一起身報名。高雙星還無法適應冒充高加林的名字，為避免惹人懷疑，趁著午休時跑出去反復大喊“高加林”三個字，灌輸自己就是高加林本人。
如今黃父給黃亞萍找好工作，讓她在縣廣播站當廣播員，黃亞萍也沒有怨言，尋思著先工作，有機會讀個函授大專。景若虹知道高加林準備復讀繼續高考，非常高興他能做出明智選擇，安慰他不必為今年的考試失利難過，只要不言放棄，明確目標就能達成所愿。
高加林往回走路上遇到劉巧珍，為之前的事情跟她道歉，劉巧珍絲毫不計較，反而很高興高加林對自己的態度轉變。高明樓跑來告知縣里的馬店小學需要一位民辦教師，所以他主動推薦高加林，高玉德父母立馬代替兒子答應下來。