林璎（
黎莉莉 饰）随着父亲从浙江乡下来到上海投奔伯父（
刘继群 饰）并进入儿时玩伴云雁（殷虚 饰）同在的竞华女子体专学习。在后来的生活里林璎展现出了她“短跑健将”的超人天赋，经过云鹏（张翼 饰）艰苦踏实的特别训练后，林璎在
全国运动会上打破两项全国纪录取得优异成绩。此后因为吹捧令林璎丧失了方向和本心沉迷于应酬而荒疏了练习，令云鹏倍感失望。她在一次同花花公子球王胡少元（
何非光 饰）的晚会上被其数次非礼后终于从纸醉金迷的生活中醒悟过来，重新投入训练。而以前跑步健将艾琤（
王默秋 饰）却妒火中烧逼迫患有心脏病的萧秋华（
白璐 饰）同自己和另一个死党共同对抗林璎。在远东预选大赛上，萧秋华因运动过于激烈而心脏病加重去世，死前向林璎哭诉阴谋。林璎重新认定“体育的真精神”在决赛中，大幅领先的她放弃了胜利。最后云鹏也认同林璎的做法，认为“为了体育的真精神，我们只有奋斗”。
《体育皇后》拍摄于
九·一八事变之后的1934年，国民政府执行“
攘外必先安内”的政策，对日本侵略者采取妥协退让方针。该片成为激起全国人民抗日怒潮、增强民族实力的冲锋号，林璎的那句“我知道为什么中国不强了，第一个原因就是身体不强！”道破了中国历来受欺辱的软肋，电影所贯穿的主题思想：“有健全的身体，才有健全的精神！有青春的朝气，才有奋斗的恒心！任何民族的强大动力就是全民身体素质的提高……”不仅激励了民族的自信心，并且将体育的精髓延续至今。
《体育皇后》是
孙瑜导演为
黎莉莉度身定制的，黎莉莉对于游泳、跳水、开车、骑马样样都行，还拿过短跑冠军，因此她演起《体育皇后》来得心应手。
孙瑜在片中寄予“体育救国”的理想，倡导不仅要启蒙心智，还要强健体魄。黎莉莉扮演的林璎是短跑冠军，在赛场上身姿矫健，动如脱兔，在生活中更是活蹦乱跳，片中表现林璎在家里和小狗追逐玩闹，简直是个疯丫头。银幕上出现这样好动调皮的女生，还是头一次，黎莉莉活力四射的形象更加深入人心。该片上映，健美女性蔚为风尚。