魏国与北方柔然长期交战，年迈的老单于渐渐产生退意，但他的儿子冒顿（胡军 饰）性情暴戾，一心想要吞并中原。为了抵御外敌，魏国下令征召壮丁入伍。得知父亲花弧年迈且身患重病后，花木兰（赵薇 饰）毅然女扮男装，代父从军。
进入军营后，木兰在儿时伙伴小虎（房祖名 饰）的掩护下暂时没有暴露身份。一次偶然的机会，副营长文泰（陈坤 饰）察觉了她的秘密，但因为欣赏木兰正直的品格和出众的武艺，选择替她隐瞒。此后，文泰与木兰并肩征战，屡次击败柔然军队，两人也都因战功获封将军。
然而，文泰逐渐发现木兰在战场上容易感情用事、行事冲动，于是故意诈死，迫使她学会独当一面。与此同时，屡遭败绩的柔然部落已经萌生退意，冒顿却不肯罢休。他不仅残酷铲除异己，还亲手杀死父亲，自立为单于，并发誓踏平中原。此时，冒顿最大的对手，正是由花木兰率领的魏国守军，一场决定生死的激战即将展开。
影片还邀请俄罗斯歌手维塔斯和韩国歌手李玖哲加盟，片尾曲分别由孙燕姿与张靓颖演唱。
