陈鹏（黄晓明 饰）、王敏佳（章子怡 饰）和李想（铁政 饰）是高中同学，也是最好的朋友。陈鹏在清华大学工程系学习，李想学习西医在医院实习，王敏佳则在医院的中药组和一群女孩们配药。陈鹏内心对王敏佳怀着强烈的情感，却不敢说出口。只有通过关心她的点点滴滴，流露出些许心意，盼着王敏佳有朝一日能体会到。
今天，三人约好去看望多年来对他们照顾有佳的班主任许老师。可还没进四合院，就听到院子里传出师母打骂的声音。许老师本名许伯常，师母叫刘淑芬。当年师母辛辛苦苦供养许老师读大学，哪知许老师毕业后想悔婚。师母便拎着刀子到他的单位以死相逼，两人这才结了婚。自那以后，师母就性情大变，对许老师非打即骂，许老师都是默默忍受。见此情景，三人也不便进门，只好改日再做打算。
当晚，回到医院的王敏佳和李想决定替许老师主持正义，用毛主席的教导指出师母的错误。为了不让师母看出字迹，王敏佳在李想的帮助下翻出西医护理日志，仿着其他医生的笔迹给师母写了封措词严厉的批评信。
与此同时，陈鹏因成绩优异，被校领导推荐前往第九研究所工作，从事核物理工程研究。在当时，这是无数人梦想得到的殊荣，陈鹏却毫不犹豫的回绝了。因为和王敏佳在一起，呵护她照顾她，比什么都重要。
就是在这种美好的愿望下，陈鹏继续呆在北京生活学习，还按王敏佳的习惯，三人一起在天安门前与毛主席像合影。说起这个习惯，王敏佳不无骄傲。小时候主席到学校来，是她献的花。照册里还有与主席的合影，之后每年的那一天，她都会来天安门与主席像一起留影纪念。这件事医院里几乎尽人皆知，着实让一些人羡慕嫉妒恨。
陈鹏拒绝了为国家做贡献的大好机会，李想却一直希望得到支边的名额。他割破手指，写下血书明志。在得到院领导和同事钦佩的同时，也获得了王敏佳的芳心。确定支边名额前，王敏佳亲手教李想针灸术，希望能在缺医少药的边疆派上用场，被陈鹏无意中看到。见王敏佳愿意露出胳膊让李想按拿，陈鹏明白自己已是多余的人，便来到校长室，请求前往第九研究所工作。
然而世事多变。脾气乖张的刘淑芬收到批评信后，不仅没有收敛，反而从信中的标点符号使用习惯中察觉是王敏佳所为。她拿着信闹到医院，大骂王敏佳勾引有妇之夫。原本只需李想承认同犯，就能证明王敏佳写信的初衷是纯洁善良的。可为了保住支边名额，李想选择了沉默。平时嫉妒王敏佳的同事也落井下石，捏造各种谎言，甚至怀疑她与台湾间谍有联系。一夜之间体验到人情冷暖的王敏佳，此时此刻才感觉到身边没有了陈鹏的保护。
有冤无处诉的王敏佳被拖到群众面前接受批判，一墙之隔的另一边，李想作为支边英雄发表演讲，誓要与陈旧势力和反动势力划清界限。听到扩音喇叭中李想的发言，王敏佳惨然一笑。而这笑容看在张淑芬的眼里，就是种嘲笑就是种侮辱。她恼羞成怒，高喊着“打她”。被煽动起来的群众争先恐后的对王敏佳拳打脚踢，伴随着怒骂声的是打在身体上发出的沉闷声。张淑芬没想到自己编造的谎言会给无辜的王敏佳招来灭顶之灾，那声音就像打在她的心口，让她一阵阵心惊胆战。
王敏佳始终没有发出声音，直到有人大喊“打死人了”，刚才还在“义愤填膺”殴斗敌对特务的群众立刻作鸟兽散。张淑芬战战兢兢的上前摸了下鼻息，发现王敏佳只有出气没了进气，吓得她一屁股跌坐在地。失魂落魄的回到家的张淑芬，面无表情的从丈夫身边走过，径直走向院中的水井，纵身跳了下去。当陈鹏得到消息赶来医院时，只看到倒在地上，血肉模糊的王敏佳。
天下起了大雨，被雨水打醒的王敏佳看到浑身湿透的陈鹏。这里是处荒地，陈鹏为她挖了座衣冠冢，从此只当再没有了王敏佳这个人。
王敏佳随着陈鹏回到了小村落，这里的人还是那么质朴，劳作时仍歌唱着那个曾为他们空投过食物的空军叔叔。脸上的疤痕永远无法去除，但陈鹏相信他能治愈王敏佳心中的伤痕。因工作关系，陈鹏不能对外联系。可每隔一段时间王敏佳都会收到一个邮包，里面有护肤的雪花膏和陈鹏无悔的承诺。
在回第九研究所前，陈鹏遇到了在王敏佳坟前忏悔的李想。对这个辜负了王敏佳的人，陈鹏只给了他一句话“逝者已逝，生者如斯，对以后的人好吧”。随后他便启程，前往罗布泊两弹一星基地。而李想秉承着陈鹏的这句话，在边疆救死扶伤，其中就包括了张果果的父母亲人。
