年輕的石油工人劉思成(劉燁 飾)是單位的業務標兵，也是大家眼中的怪人：沉默寡言，除了發狠工作，就是像追星族一樣收藏王鐵人的所有寶貝。唯一的朋友趙一林(黃渤 飾)也對劉思成苦行僧式的生活方式感到不解，認為他患上了沙漠幽閉症。
　　在美麗的心理醫師吳夏夢(馬蘇 飾)的幫助下，劉思成開始嘗試打開心結。原來劉思成的父親劉文瑞(張鐸 飾)正是和王鐵人並肩戰鬥過的戰友。鐵人後輩的身份在帶給劉思成無上榮譽的同時也日益成為他的困擾：成為周圍人眼中的傻瓜、擔心辜負父輩的期望，與父親人生觀的差異更讓他不知所措。
　　與此同時，趙一林因和女友的不檢行為被揭發而雙雙被迫離隊。惱羞成怒的趙一林當眾怒斥此事的唯一知情人劉思成，認為劉和他的父親劉文瑞一樣都是只知道沽名釣譽的騙子。父親到底是和鐵人戰鬥到底的英雄，還是如趙一林所言半路當了逃兵？伴隨著劉思成的追問，時光退回到半個世紀前……
　　一列破舊的火車把王進喜(吳剛 飾)和他的1205鑽井隊從甘肅玉門油田拉到了大慶。作為石油大會戰的主力軍，王進喜和他的隊伍肩負著讓新中國甩掉貧油帽子的希望。這只除卻血肉之軀和鋼鐵意志幾乎一無所有的隊伍在隊長王進喜的帶領下，苦幹5天5夜，大慶第一口油井終於開鑽。房東老大娘見王進喜連續數晝夜奮戰在井架，感慨“王隊長真是個鐵人！”，“王鐵人”的名字從此傳開。
　　第一口油井打好之後，王進喜的腿被滾落的鑽杆砸傷，他卻顧不上住院。拄著拐杖纏著繃帶連夜回到井隊。第二口油井在即將發生井噴的危急時刻，沒有重晶石粉，他當機立斷用水泥代替。沒有攪拌機，水泥沉在泥漿池底，王進喜便扔掉雙拐，縱身跳進泥漿池，用身體攪拌泥漿。在他的帶動下，工友們也紛紛跳進入，經過三個多小時奮戰，井噴終於被制服，保住了油井和鑽機。
　　三年自然災害來臨，王進喜和他的隊伍面臨著前所未有的考驗，在嚴重的饑餓和高強度的作業下，隊友們意志紛紛崩潰。王進喜省出自己的口糧，甚至不惜犯政治錯誤，想方設法給大家填肚子。看似粗枝大葉的王進喜對愛徒“小知識份子” 劉文瑞更呵護備至，還讓妻子為其縫補護膝。劉文瑞最終還是偷偷踏上了返程的火車，師傅王進喜留下的那袋口糧和孤獨的背影卻成為劉文瑞一生的心債。
　　伴隨著對這段回憶的追惜，劉思成陪父親度過了他最後的時光。此時傳來離隊的趙一林和女友在沙漠遇險的消息，劉思成毫不猶豫地隻身開始他的搜救行動。恍惚間，劉思成的眼前出現了王鐵人父親一樣的笑臉……