抗日战争时期，八路军老六团在黑团长的率领下奉命南下，配合新四军某部参加南岭战役作战。战斗中黑团长身负重伤，警卫员肖九天（
侯勇饰）跟随黑留在新四军卫生所救治疗伤，由此认识了新四军卫生员马骏（
徐洪浩饰）和护士乔喜珍（
陶慧敏饰）。由于伤情严重，医院又缺技术和医生，黑团长生命垂危。情急之中，抓回了日本军医木村，但他不肯为黑团做手术。不得已，孟所长只好在没有麻药的情况下为黑团长做手术，黑团的英勇气概打动了木村，他主动要求为黑动手术，最后在万般无奈的情况下截去了黑团长的左臂。团长失去左臂，给肖九天留下永远难忘的记忆。之后，木村留在了新四军卫生所工作。在一段时间的接触中，木村喜欢上勤学好问的肖九天和马骏，向上级提出，把警卫员肖久天留在卫生所跟他学医。肖九天和马骏在战火中成长起来，就在全国解放前夕，二人又同时爱上护士长乔喜珍。
全国解放后，马骏被调进医专进修学习。抗美援朝战争爆发，肖九天和乔喜珍赴朝作战。医专进修毕业的马骏也来到朝鲜前线。而此时的乔喜珍已经答应了肖久天的求爱，马骏很失落。不久，肖九天率救护队上了前线，负重伤与部队失去了联系。部队以为他已牺牲，乔喜珍悲痛万分，马骏由此对乔喜珍关爱有加。回国后，二人建起恋爱关系并准备结婚，就在他们打了结婚报告送到院领导手里时，肖九天突然回来了。肖久天、马骏二人谁也不愿主动放弃。肖九天想起马骏小时曾跟他说过家乡有一个女娃娃亲，于是暗地联系马母，让马母带着冯延花来到医院。已经当上军长的黑团长，得知此事，下令让马骏与冯延花立即成亲。马骏在老首长面前不敢违命，只得与冯延花成亲。
肖九天和马骏考上了军医大学。到校复试时，肖久天不及格被退学，但他却滞留不走，马骏一直暗地帮助肖九天，肖九天的勤奋感动了苏联专家基洛夫，继续留在了军医大学读书。在大学里，进修系的陶小娟（
程愫饰）被马骏的才华所吸引，主动追求马骏，马骏也不回避。毕业时，肖九天决定回到原来的淮海医院工作，而马骏跟基洛夫去了苏联深造，学习显微外科，最终成为博士回国。肖九天回到了淮海医院后，成为外科主治医生，他用自己的工资买了小白鼠和兔子进行试验，一心想搞断臂再植。马骏在苏联学习期间常与陶小娟通信来往，想回国后与冯延花离婚，黑副司令把马骏狠批一顿，马骏只得打消离婚的念头，在情感上疏远陶小娟，但陶小娟依然是他最得力助手。马骏当上了外科主任，肖九天任副主任。肖九天一门心思要攻克断肢再植的技术难关，陶小娟也敦促马骏暗地进行着这方面的试验研究。淮海医院收进了一名断手的农民，在肖九天的强烈要求下，孟院长决定进行断臂再植手术。马骏虽然表面上反对，但已稍稍做好了准备。全军第一例断臂再植成功手术获得了成功，二人双双荣立一等功。
六十年代中期，马骏被定为苏修特务，肖九天被定为日本特嫌，俩人关在同一牛棚内，黑副司令暗中保护，将二人分别送到军区农场和下放到老区前岭农村劳动。下放几年中，二人经历了不同的磨难，但仍在艰苦的条件下进行医学实验。一次，一名飞行员双腿摔断了，军区领导要淮海医院必须接活双腿。肖久天被从农村接回，但他想到远在农场劳动的马骏，提出只有马回来才能完成任务。黑副司令派直升机把马骏接回，二人又一次完成了高难度的断腿再植手术，重新回到了手术台前。由于肖久天和马骏在显微外科学上的成就，双双成为中国工程院院士。肖九天担任淮海医院院长，马骏担任东海医院院长。从此，肖、马各领导一个断臂再植小组展开了激烈的竞争。
肖久天的儿子肖建为了挣钱出国留学，为一名儿童晶晶做双手再植手术，结果手术失败，良心受到谴责，肖建求助马骏，要求脱军装到日本留学，马骏同意了。肖九天得知了晶晶的手术是肖建做坏的，异常气愤，为了替儿子“还债”，他决定为晶晶做异体再植手术。乔喜珍为了研究排异药物，用自己的身体作试验，使用最新的方法进行论证终于获得成功。最终在马骏的合作下，完成了异体再植手术，获得世纪性的重大突破。乔喜珍由于积劳成疾，心脏病复发倒在了试验室。乔喜珍去世了，在她的遗像前，摆放着两个鲜红的“喜结”，这是肖九天和马骏各自珍藏的信物。肖九天与马骏再次回到当年的南岭老区，回到他们当年战斗过的地方。在太阳升起的时候，他们把乔喜珍的骨灰撒在青山绿山之间，二位老人又玩起了小时候拍手游戏，唱起少年时代的童谣。
该剧突破了原有的军人模式，采用“军人——科研”的新思维，开拓了军事题材电视剧创作的一个新的领域。从军人形象讲，该剧具有填补空白的意义。细节处理上，真实可信，院士、将军在剧中显得格外亲切。剧中采用“三段式”表演结构，少年、中年、老年各用一批演员。导演处理得较巧妙，通过影像叠化，自然地完成了过渡，另外由于演员年龄感同一，理解剧本准确，比较真实神似。