1941年，著名美术家高毅之从重庆只身去敦煌考察归来，倡议建立“敦煌文物保护委员会”，被国民党政府文委拒绝。国民党官商代表郑希图为谋私利，让高毅之等大量临摹敦煌壁画与彩塑，以便向国外出售，被高毅之拒绝。高毅之卖掉自己的一切，自筹资金，与同事何香芬、张凤雅以及美院学生李鸥、杨娜，历尽艰辛来到敦煌。他们怀着激动的心情登上莫高窟的九层楼，那珍贵艺术品使他们赞叹不已。初到敦煌，自发保护敦煌石窟的当地群众不了解他们，对他们的活动进行监视和阻挠。经过耐心解释，他们很快取得了当地群众的支持和帮助。在极其困难的条件下，高毅之等人忘我工作，临摹了大量壁画和彩塑，同时对莫高窟进行了力所能及的修复工作。由于没有资金，生活越来越困难，工作越来越艰苦。杨娜有些动摇了，张凤雅也开始了怀有个人目的的活动。面对困境，高毅之携带大量临摹艺术品回到重庆举办展览，想借此筹集资金并呼吁同人给国民党政府以压力，促使其资助这一事业。展览会受到各阶层人士的欢迎和重视。官商郑希图见有宏利可图，策划税务局以重税横加刁难，企图收买全部作品。高毅之被逼得无路可走，几乎发疯。美院教师王丽君来看望高毅之，告诉他税务方面由抗敌文协出面交涉，展览还是要办下去，并为他筹集了资金。重庆各界人士的大力支持，使高毅之万分激动，他决定立即返回敦煌。在高毅之离开敦煌期间，张凤雅逐渐暴露了本来面目，他不仅不抓紧工作，反而带领杨娜吃喝玩乐，勾引杨娜一起逃离敦煌。当杨娜在逃走途中发现张凤雅盗窃了莫高窟珍贵的彩塑佛像时，严厉谴责他的卑劣行径，并拒绝与他一起逃走，被张凤雅扼死在鸣沙山上。李鸥在追找杨娜的过程中，失足跌落三危山谷不幸身亡。何香芬在追拦张凤雅时，被张的马拖昏过去。最后，张凤雅在喜子爷爷的追赶下，弃马爬山，失足摔死在三危山谷。高毅之赶回敦煌时，同来的人中只剩下患病的何香芬。二人早已相爱，此时在患难中定情。在高毅之坚持进洞工作之际，重病的何香芬与世长辞。高毅之与当地群众满怀悲痛掩埋了何香芬，怀着保护祖国文化遗产的信念，坚定地走向莫高窟的九层楼……