魏国与北方柔然多年交战，老单于逐渐萌生退意，然而他的儿子冒顿（胡军 饰）性情残暴，野心勃勃，妄图吞并中原。为抵御外敌，魏国征召壮丁入伍。花木兰（赵薇 饰）不忍年迈病重的父亲花弧上阵，于是毅然女扮男装，代父从军。
进入军营后，木兰在昔日玩伴小虎（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，但因欣赏木兰正直勇敢、武艺高强，便选择替她隐瞒。此后，文泰与木兰并肩征战，屡次击退柔然大军，两人也凭借战功获封将军。
然而，文泰渐渐发现木兰在战场上容易感情用事，行事冲动。为了迫使她真正成长起来，他故意诈死，将独当一面的重任交给木兰。与此同时，柔然屡战屡败，部落内部已经萌生退意，冒顿却执意继续开战，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，正是由木兰率领的魏国守军，一场扣人心弦的生死决战就此展开。
俄罗斯歌手维塔斯与韩国歌手李玖哲加盟本片，片尾曲分别由孙燕姿和张靓颖演唱。
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