1951年，志愿军对入朝人员进行清点时，发现5位女兵离奇失踪，无踪无影。50年后，一位美国老太拿着五张泛黄的画像来到北京军事博物馆，流着泪说：“我知道她们在哪里……”
时间回到1950年，帮助韩国的美军一路攻打，把战火烧到了鸭绿江边境，为了应对美军的挑衅，毛主席派遣彭老总带领志愿军进入朝鲜参战。
随着战事的进展，为了保存后勤部队的安全，彭老总请示毛主席后，命令志愿军主动退到三八线后。
在我军撤离的当晚，美军突然袭击了我军，卫生队教导员王文慧已经带着卫生队的战士们冲出了重围。
发现我军仍有没有跑出来的战士，又带着王招娣和张兰两名护理员回去解围。
她们三人因为经常在一起作战，配合默契，她们迅速找准敌人的薄弱点发起进攻。
因为当时天色已经很黑了，敌人以为志愿军大部队返回来了，他们赶紧逃跑，三位女战士救了两个被困的姑娘，她们是文工团女兵孙娜娜和李毅力。
孙娜娜是一名小提琴手，她把一把小提琴随时都带在身边，李毅力在参军前是一位优秀的美术老师，她俩人被美军发现时正在贴反美标语，所幸被三位女战士营救。
五个女兵来不及高兴庆祝，反过神的美军们发现上当了，他们又追上来，为了不连累先走的部队，王文慧带领女兵们向相反的方向跑，结果找到一个被灌木丛隐秘的山洞。
洞口很小，但是里面的地方不小，足够藏身，五个女兵相继钻进洞里。
王文慧躲在洞口隐秘处看着越来越多的美军搜寻她们，她觉得躲到洞里并不安全，他们所带的干粮也所剩无几。
王文慧带领大家朝洞的深处走去，看看有没有其他出口，越往里走，山洞越黑，可以说伸手不见五指。
突然，伴随着一个女人的尖叫，山洞里亮起了微弱的火光，原来有一位朝鲜女子藏在这里，听到有人进来，忍不住叫起来。
女人用朝鲜语问她们：“你们是谁？”
女兵们入朝前后学过一些简单的朝鲜语，能听懂女人的话，她们和她用朝鲜语进行了简单的交流。
通过交流，女兵们明白了这位女人原本和丈夫为了躲避美军，逃出村子藏在山东里，丈夫为了找食物一个人外出，至今未回。
王文慧看这位朝鲜妇女是个快要临产的孕妇，赶忙和战友们为孕妇检查身体，并且把自己的食物都给了孕妇。
食物给了孕妇，女兵们饿得眼冒金花，正在大家饥饿难忍的时候，生性豪放的王招娣带着十几串烤肉进来，大家顾不上问烤肉的来历，拥上去很快把烤肉吃得一干二净。
吃完烤肉，大家有了力气，追问王招娣哪里搞来的烤肉，王招娣笑着说：“在山洞里抓了几只老鼠。”
姑娘们一听又拼命呕吐，几乎把刚才的肉吐得一干二净。
这时，美军拿着照明灯在山洞外到处照射，本想突围的姑娘们无奈又退回洞里。
王文慧想到一个突围方案，由张兰击碎敌人的照明灯，其他人保护孕妇撤离。
张兰举起枪，一枪打碎了美军的照明灯，可是美军又亮起了无数的照明灯，而且姑娘们藏身的山洞暴露了，美军迅速地聚集到了山洞口。
女兵们只能带着孕妇撤回山洞，为了缓解大家的压力，李毅力提出给大家一人画一幅肖像画，姑娘们吵着：“把我画好看一些。”
就这样，李毅力给自己和其他四位女兵画了人生最后一幅画像。
第二天，美军们挥舞着旗子向洞内喊话，表示希望和谈。
王文慧派英语流利的孙娜娜和美军谈判，孙娜娜提出，希望美军如果能放过孕妇，她们就走出山洞。
但是美军拒绝了，表示如果她们中午12点前不走出山洞，美军将炸毁山洞。
这时孕妇发出了痛苦的呻吟，原来孕妇受到惊吓，要提前生产了。
王文慧、王招娣、王兰迅速赶到孕妇身旁，帮着孕妇接生。
到了中午十二点，敌人的炮火也没有响起来，山洞口传来悠扬的小提琴声，原来为了稳住敌人，孙娜娜拉起了小提琴。
在小提琴声中，一个女孩在山洞里降生。
当孙娜娜听到婴儿的哭声时，用坚决的语气再次和敌人交涉：“让我们投降的唯一条件是，不伤害这个朝鲜妇女和婴儿，把她们送到安全的地方。”
这次美军同意了，当孙娜娜看着朝鲜女人抱着她刚出生的女儿平安的离开后，她回到洞中。
五位女兵抱在一起，她们相约来世还做好姐妹。
在美军们的注视下，五位女兵手拉手，昂首阔胸地走出山洞，美国士兵们很快向姑娘们围过来。
突然，爆炸声响起，五位姑娘和围着她们的十几个美国士兵同归于尽，原来她们身上绑着炸dan，她们的身体被炸成碎片。
美国军队里此时有一位女记者，她亲眼目睹了这一切，随后她走进山洞，发现了姑娘们的五张肖像，她把这五张画带到身上，珍藏起来。
美国女记者回到朝鲜后，费尽周折找到了朝鲜妇女和她的婴儿。
50年之后，已是老太太的美国女记者，带着女战士们救下的朝鲜女婴来到中国，此时女婴已是五十岁的中年妇女了。
朝鲜妇女的搀扶着美国老太太，她们一起来到北京军事博物馆，老太太拿出女兵们的五张肖像，表示她们应该回到祖国的怀抱。
至此，五位入朝女志愿军们的失踪之谜终于揭开，尘封了半个世纪的历史在美国女记者的描述下清晰地呈现出来，她们的这段往事被搬上荧幕，命名为《三八线上的女战士》，以此来纪念女英雄们。