影片开头播放了一段以英语解说的纪录片，叙述四行仓库保卫战所发生的历史背景。1937年日本军队发动卢沟桥事件，侵占华北，随后中日全面开战。淞沪会战期间，日本与在上海的租界地区保持了微妙的默契，由此制造出苏州河一河两岸截然不同的场景。
湖北保安团抵达上海市区，但路遇日本军队，保安团被打散。晚间，保安团中的“端午”和“老葫芦”发现自淞沪会战败退的国民革命军大部正在撤退，同时枪杀大量“逃兵”，两人随后被524团收编，前往四行仓库。被定为“逃兵”的保安团一行人被安排修筑仓库外围的堑壕和地雷，此时大量上海市民涌入四行仓库边的垃圾桥进入公共租界。
第一日
日本军队派遣先遣部队进入四行仓库一楼，遭遇驻守中国军队伏击，以逃兵的视角和日本士兵的对白展现如粉尘爆炸等伏击战术。国军524团在打退攻击后开始打扫战场，但遭之日本士兵自杀式袭击和日军抛射芥子毒气，毒气从四行仓库飘至租界内。晚间，日军发动第二轮攻势，从四行仓库的排水渠进入，以军刀同中国军队展开厮杀；日军同时借以攀爬梯进入楼体，双方在四行仓库三楼展开近距离枪战，中国军队随后打退这第二轮进攻。
第二日
上午，日本军队宣称“三小时内拿下四行仓库”，引来苏州河南岸群众围观，日本军队随即发动进攻。日军调遣了一辆特殊挖掘机和由多辆九四式轻装甲车组成的坦克部队冲击四行仓库，同时占据周边建筑对四行仓库进行火力围攻。载有“西洋各国军事观察员”的租界飞艇漂浮在战场上空，观望战况。
战事展开后，中国军队展开反击，双方在西侧楼体的正面发生交火。日军利用挖掘机冲撞四行仓库楼体，随后又派兵举起钢板阵掩护工兵靠近楼体，意图安放炸药炸毁承重墙、使楼体坍塌。在守军发现手榴弹无法击破钢板阵后，一位名为陈树生的士兵身绑炸药与手榴弹，从楼体跳下、坠入钢板阵中，以血肉之躯炸毁钢板阵。而后机枪连的战士们跟随陈树生，纷纷给自己绑上炸药，接连从楼上跳下，阻止日本军队在墙根安放炸药。于苏州河南岸在张柏亭、俞鸿钧的陪同下观战的何香凝叹道“国人皆如此，倭寇何敢”。最终日军撤退，中国军队粉碎了日军三个小时夺取四行仓库的企图。
下午，租界的德国记者一行人携带电话线、头顶纳粹党旗帜作为掩护，穿越垃圾桥进入四行仓库，然而电话线在桥上被日军冷枪击落，掉在路上。租界内的帮社接连派人上桥运送电话线，在被日军弑杀多人后将电话线运至四行仓库内。
晚间，谢晋元收到了来自蒋介石的命令，要求部队坚守仓库，以便在即将召开的布鲁塞尔会议上向西方各国表明中国的立场，意图获取西方的援助。租界的中国民众向仓库内弹射补给品和食物，女童军杨惠敏渡过苏州河，将中华民国国旗送达仓库内。
第三日
早晨，除警戒部队外，驻守四行仓库内的中国军队在楼顶举行了升旗仪式，此处的电影配乐为改编过的《三民主义歌》。升旗后，中国士兵鸣枪致敬阵亡之同仁。仪式结束后，日本海军航空兵派遣两架九六式舰载战斗机向仓库楼顶发动进攻，希望摧毁中国国旗。中国军队运用一门防空机炮和步兵火力予以还击。在日军飞机的多轮扫射下，中国士兵以肉身保卫国旗，最终日军飞机意外将子弹射入租界境内。英军随即发出战争通牒，日军飞机受命撤离。
第四日
早晨，日军指挥官与谢晋元接洽，声明已知道中国军队接得撤入租界之令，并业已接到使用重炮等重火力夺下四行仓库的命令；但又称会见不代表军方，愿与谢晋元为各自荣誉而殊死一战。英国租界驻军也在新垃圾桥上拉起巨幅红十字旗帜。
下午，国民政府的特派员在租界英国驻军的护送下进入四行仓库，与谢晋元见面。特派员阐述了政府对四行仓库保卫战的立场：谢晋元个人之荣誉并不高于租界内中国民众的生命，而战事若继续发展下去将危及租界。布鲁塞尔会议因比利时首相保罗·范泽兰贪污案而提前结束，以顾维钧为首的中国代表团已探明西方各国不愿出面的态度。在并无国际援助之可能的情况下，蒋介石发布手谕，命令谢晋元率部队撤入租界；特派员亦表示军队再战已无任何意义。特派员在与谢晋元对话时讲到，淞沪会战已使配有德国装备的德械师消损殆尽，希望谢氏能为“王牌军”留种、安排杂牌军和逃兵执行掩护撤退的任务。
晚间，谢晋元下达撤退命令，对士兵们说道“这个国家已经病了，但你们是这个国家最好的一味良药”。除少部分自愿参加突击任务以协助部队撤离的敢死队和逃兵外，国军524团开始整建制在四行仓库南面列队，准备撤离。驻守租界的英军关闭探照灯后，日军在远处打开对准桥面的探照灯。谢晋元知晓日军早已设有伏击，便带人冲上桥面以使日军火力点暴露，随后双方围绕垃圾桥北端展开交火，最终谢晋元命令部队全体同时撤离——此处插叙了特派员对谢晋元说的心里话：“历史一定会记住这场战斗，记住参与过这场战斗的人。而你们，才是真正的中国人。”
