魏國與北方蠻族柔然連年交戰，老單于心存退意，但是其子冒頓（胡軍飾）生性暴戾，意圖吞并中原。為御外敵，魏國征召壯丁入伍，為國效忠。考慮到父親花弧年邁病重，其女花木蘭（趙薇飾）毅然決定女扮男裝、替父從軍。在軍中，木蘭因有昔日玩伴小虎（房祖名飾）做掩護，尚未露出破綻。一次偶然的機會，副營長文泰（陳坤飾）發現了木蘭的秘密，但見她為人正直功夫了得，所以替她隱瞞身份。后來，文泰與木蘭并肩作戰，屢破柔然大軍，立下戰功，均獲封將軍。不過，文泰發現木蘭在戰場上感情用事極為沖動，遂借故詐死，逼其獨當一面。此時，屢戰屢敗的柔然部落已萌生退意，但冒頓一意孤行，不但剿殺異己，甚至手刃其父，自立為單于，發誓要掃平中原。面對冒頓率領的傾巢而出的柔然主力，木蘭領銜的魏國守軍在長城展開決戰。最終，木蘭以智勇擊潰敵軍，并親手斬殺冒頓，但其女兒身身份亦在戰后被全軍知曉。