军医林书芝(徐敏 饰)接到上级指令，前往海拔超过五千米的嘎巴拉哨所实施紧急医疗救援。此次救治对象是一位因自愿前往高原与边防战士举行婚礼而突发高原性疾病的新娘。尽管林书芝率领医疗团队竭尽所能展开抢救，最终仍未能挽救这位勇敢女性的生命。面对这一结果，林书芝在悲痛中确立决心，誓要攻克这一危及官兵生命的高原病症。
然而科研道路充满坎坷。由林书芝主导的攻关小组历经十年探索，进行至第一百零七次实验时，依然未能取得预期成果。与此同时，课题组成员各自面临着生活层面的挑战：气质儒雅的司马平已近而立之年，却因长期驻守高原地区，先后交往的几位女友皆因距离问题选择离去，至今未能寻得情感归宿；女军医雷瑶此时正经历婚姻关系的破裂；热爱摄影艺术的杨朝晖(霍亚明 饰)，则将高原军旅生涯主要视为一次特殊的采风创作机会。
为突破研究瓶颈，林书芝决定从传统藏医学体系中汲取智慧。他携同计划前往草原采风的杨朝晖一同抵达达戈草原。在这片土地上，他们结识了擅长歌舞表演的藏族姑娘卓玛。在卓玛的引领下，二人寻访到精通藏医理论的郎札活佛。经过林书芝以实际行动展现的诚意，原本持有疑虑的郎札活佛深受感动，将藏医学中用于防治高原病的关键药材原料——红景天的相关信息告知他们。
经历数十个不眠之夜的持续攻关，防治高原病的专用药物“高原康”最终研制成功。林书芝的同乡孔繁森主动提出担任新药的首位试用者。恰在此时，赴拉萨报考歌舞团的卓玛在体检中被诊断出患有先天性心脏病。目睹卓玛的悲伤情绪，林书芝决定向危害西藏民众健康的第二类疾病——先天性心脏病发起科研攻坚，以期帮助卓玛实现艺术梦想。
西藏地区素有“生命禁区”之称，在医学界更被视为心脏外科手术的禁忌区域。林书芝的决策令众多知情者为之担忧。但他排除各方劝阻，首先选择在犬类动物身上进行手术试验。就在实验进入关键阶段时，林书芝接到母亲逝世的消息。他含泪在拉萨河畔遥寄哀思，仍决定留守继续试验工作。然而政委张克难坚持将其送上军用飞机，并强调军人对亲人已有太多亏欠，不可再背负不孝之名。
返回家乡的林书芝见到了思念已久的妻子，但令他痛心的是，年幼的女儿竟以陌生人的态度对待他，不仅拒绝称呼“爸爸”，甚至直呼其名。带着沉重心情与对女儿的愧疚感，林书芝重返拉萨，全身心投入紧张的实验工作。
当研究进入临床实践阶段，卓玛主动请求林书芝为自己实施首例高原心脏手术。正当林书芝陷入抉择困境时，他的亲属携女儿小美来到西藏探访，不料小美突发心脏病危在旦夕。为挽救小美的生命，林书芝决定冒险实施心脏手术。这一提议遭到政委的坚决反对，担心手术失败将导致林书芝难以面对亲属；其妻子也极力劝阻。经过与妻子的长途电话沟通，林书芝再次向院党委提交手术申请。经历整夜深思，政委张克难最终批准了这一特殊请求。
一场具有特殊意义的手术即将开始。与此同时，林书芝的女儿悄然抵达拉萨，试图解开父亲十余年未归家的谜团。当目睹护士推着手术成功的小美走出手术室时，她终于理解了父亲所承担的事业与情怀。泪流满面的女儿首次喊出“爸爸”这个称呼。这声呼唤使林书芝激动得热泪盈眶，父女二人紧紧相拥。