解放初期，怀揣着建设祖国大西北梦想的水利学校毕业生陈大河与方文刚一同来到塔里木河，为了解决塔里木河流域长久以来“桃花水”给当地群众带来的灾害问题，陈大河与方文刚与当地的年轻水利工作者吐尔逊一起，在英苏村阿布杜拉老人和乡亲们的帮助下，战天斗地共同修建了维系当地百姓生产生活命脉的水利工程---大海子水库。在水库修建的过程中他们结识了苏联专家安东诺夫和翻译冬妮娅，并建立了深厚的友谊和感情。
中苏关系变化，苏联撤走所有在华人员时，留下了一套伪造的塔里木河流域水文调查资料。面对分离，冬妮娅毅然选择留下，选择了陈大河，并把安东诺夫给她的真实资料交还给陈大河。冬妮娅的痴情与坚强，感动了陈大河。但这也因此让整个大坝工程背上了“修正主义”的罪名。危难中方文刚挺身而出主动承担责任，却被迫离开了塔里木河水利建设工地，为了能继续施工陈大河立下生死状，用自己的性命为大坝的安全担保……
洪水来了，陈大河和冬妮亚带着出生不久的小南疆站在了新修的大坝上，吐尔逊和乡亲们一起站在了陈大河的身后……塔里木河第一次臣服于陈大河等建设者的脚下。为了彻底治理水患，陈大河与冬妮娅进山寻找新的山区水库时遭遇泥石流冬尼娅不幸遇难。
二十年后，水库大坝泥沙淤积，塔河主干道断流，下游的胡杨和生态急剧恶化。陈大河开始意识到这座用青春和生命修筑的大坝，将在历史的车轮中慢慢的褪色，他给儿子陈南疆留下了记录塔里木河流域完整的水文勘测文稿后溘然长逝……
陈南疆完成学业回到塔河，父亲用生命筑起的大坝因阻断了疏水主河道将被拆除，他站在父母的墓前请求他们的原谅和理解，这一举动遭到养父吐尔逊和乡亲们的强烈反对。因为，他们已经把这座大坝看作陈大河与冬妮娅的化身，陈南疆与养父吐尔逊以及妹妹贝尔娜的矛盾也越演越烈……
在父亲测绘文稿的指引下，陈南疆与妹妹贝尔娜一起重走塔里木河古河道，寻找着父亲当年留下的一个个河道拐点，在经历了种种磨难后，兄妹俩终于被父辈们当年治理塔里木河流域的激情岁月所感动并相互和解。