1949年新中国建立以来，虽然人民当家做主人，但是新政权还随时面临被海外敌对势力所颠覆的严峻现状。惨烈的抗美援朝战争结束后，曾经立下赫赫战功的冯石将军（李雪健饰）接到中央委派的重要使命，那就是主持原子弹的研发工作。虽然对原子弹一窍不通，但是军人出身的冯石只有服从上级的命令，带着一支经过烈火淬炼的英雄部队挺近荒凉的戈壁滩。在此之后，以美国留学归来的陆光达（李幼斌饰）等科学界的精英人才从四面八方调到了西北荒漠。白手起家，艰苦创业，在内无经验外断支援的艰苦条件下，一群怀着崇高理想的无名男儿朝着共同的目标奋勇前行……

该片改编自莫言1986年发表的两部中篇小说《红高粱》和《高粱酒》。因为一匹骡子，“我奶奶”九儿（巩俐饰）的父母要她嫁给一位拥有一座酒坊的50岁麻风病人。九儿乘坐花轿出嫁时，在途中被一名强盗拦截。其中一名抬轿男子余占鳌（姜文饰）打退了强盗，九儿因而和他开始相互喜欢。3天后九儿回乡探望父母。抬轿男子突然从高粱田里冲出来，抢走了九儿。他们在高粱田野外交合。九儿回到酒坊的时候发现麻风病的丈夫死了，“我奶奶”撑起李家的烧酒作坊，不久余占鳌正式成为“我爷爷”，并独创酿制好酒十八红的方法。抗日战争期间，“我爷爷”和“我奶奶”连手谱写了一曲悲歌。

儿子（刘烨）高考落榜不得已回到大山中的家后，做了大半辈子山村邮递员的父亲（滕汝骏）提前退休，安排儿子接下自己的工作。儿子上班第一天，父亲千叮咛万嘱咐之后仍不放心，带上长年在其左右的忠实老狗决定陪儿子再走一趟送信之旅。起初，父子两人因为长期隔膜只默默走路，渐渐地，通过与不同村民尤其一个漂亮女孩（陈好）的接触，两人渐渐打开话匣，对彼此有了深一层的认识和了解。秀美如画的风景中，儿子慢慢明白了父亲工作的辛苦和意义，父亲也渐渐体会到他二十几年来对家庭的亏欠。