Tại Hà Nội vào năm 1972, một chiếc xe buýt gồm những người già và trẻ nhỏ đang trên đường trở lại nhà sau thời gian dài sơ tán.[2] Giữa dòng xe di chuyển tấp nập cùng tiếng còi xe liên hồi, Ngọc Hà, một cô bé từ nơi sơ tán lên thành phố đang cố gắng chạy theo một đoàn xe đơn vị tên lửa quân sự thuộc binh chủng tên lửa phòng không và ra hiệu cho một chiếc xe dừng lại, sau đó hỏi chú sĩ quan trên xe thông tin về bố mình, nhưng chú trả lời rằng không có bố em ở đây. Sau một hồi hỏi những quân nhân khác và nhận kết quả tương tự, cuối cùng, chú sĩ quan lúc đầu em chạm mặt đã đưa em lên xe cùng đi với mình. Qua vài lời hỏi đáp, chú sĩ quan biết được nhà cô bé ở phố Khâm Thiên, nơi bị chịu ảnh hưởng nặng nề từ bom đạn. Ngọc Hà sau đó giới thiệu cho chú sĩ quan về gia đình mình: em có một người em gái tên Thùy Dương và mẹ em, Thu, làm công nhân sắp chữ ở nhà máy in báo Nhân Dân.

Khi này, Ngọc Hà hồi tưởng về những ký ức hạnh phúc bên gia đình trước khi chiến dịch diễn ra. Em cũng nhớ lại lúc ở nơi sơ tán của trường học âm nhạc, mỗi khi bom rơi là em lại chạy ra xem và lo lắng cho tình hình của bố mẹ và em gái, những người đang sống tại đây và phục vụ cho chiến trường nơi đạn bom khốc liệt. Sau khi cô Nga, đồng nghiệp của mẹ Ngọc Hà tại xưởng in, đi về nơi sơ tán Ngọc Hà, em mới biết tin rằng mẹ mình đã qua đời còn em gái thì mất tích trong một vụ đánh bom. Trở ra Hà Nội, Ngọc Hà phát hiện rằng toàn bộ dãy phố nhà mình đã bị phá hủy, và mọi người đang chôn cất các nạn nhân cũng như tìm những tài sản cá nhân còn sót lại trong đống đổ nát. Ngọc Hà vừa lật từng trang sách cuốn tập đọc cháy xém của em gái mà cô bé nhặt được, vừa nhìn chằm chằm những binh sĩ của quân đội Mỹ bị thương nặng đang được các binh lính quân đội Việt Nam dẫn về nhà tù, xung quanh là đám đông người dân giận dữ. Sau khi Ngọc Hà đi đong gạo, cô Nga dắt em trở lại nơi sơ tán của trường học; cả hai trải qua một trận rải bom trên đường và được một chú công an giúp chui xuống hố tránh bom. Trở lại với hiện tại, cấp trên của chú sĩ quan thông báo cho anh biết rằng đơn vị tên lửa đang rơi vào tầm ngắm của quân đội Mỹ và yêu cầu tăng tốc xe để tập trung tại chiến trường chuẩn bị cho trận đánh với quân địch. Sau khi thông báo với cấp trên về việc đang mang trên xe một bé gái, chú sĩ quan nhận lệnh đưa em về bộ Tư lệnh.

Trên đường xe đi, nhiều quả bom được thả xuống nối tiếp nhau dọc đoạn đường tên lửa qua. Lúc này Ngọc Hà nhớ về lần đi xách nước cùng các bạn đồng lớp, em đã gặp lại bố trên con đường đê trở về nơi sơ tán của trường học. Bố kể cho em những điều cô Nga đã nói về hôm xảy ra trận đánh bom: sau khi một loạt bom rơi trúng nhà trẻ, mẹ em đã lao mình vào cứu các em bé bị mắc kẹt và qua đời khi bức tường nhà sập xuống. Lớp nhà trẻ của Thùy Dương cũng bị đánh bom nhưng bố Ngọc Hà không thể tìm thấy xác em. Bố cũng dặn dò em về việc học cùng nhiều chuyện khác trước khi lên đường chiến đấu. Vài ngày sau, Ngọc Hà bất ngờ nhận được tin em gái vẫn còn sống. Thùy Dương được một người phụ nữ qua đường cứu giúp vào bệnh viện, nhưng trong quá trình cấp cứu thì bất ngờ bom lại bị thả xuống đây; người phụ nữ đã ôm em bé chạy ra khỏi bệnh viện cùng các bác sĩ khác trước khi trần nhà sập xuống. Trong khi cố gắng thoát ra ngoài, nhận thấy tình trạng em bé đang nguy kịch, người phụ nữ đã dùng những sức lực còn lại của mình để hô hấp nhân tạo cho cô bé. Khi nhân viên cứu hộ đến nơi thì người phụ nữ chỉ còn thoi thóp và một lúc sau qua đời, nhưng em gái Ngọc Hà thì được cứu sống. Người này sau đó được tiết lộ là một nữ kiến trúc sư sắp tổ chức đám cưới với người yêu. Khung cảnh chuyển tiếp sang Thùy Dương ở điểm sơ tán khác đang đi dạo chơi dưới những tòa nhà mới xây to lớn với nụ cười rạng rỡ. Hết hồi tưởng, Ngọc Hà giải thích với chú bộ đội rằng cô bé muốn bố biết tin em gái còn sống và sắp xếp trường học mới cho em. Chú sĩ quan hứa sẽ xin đơn vị nghỉ phép để về thăm Ngọc Hà và em gái, đồng thời cho biết hai chị em sẽ được chú chính ủy chăm sóc.

Lúc xe tên lửa đến nơi chiến đấu, chú sĩ quan dẫn Ngọc Hà cho một đồng nghiệp để đưa về bộ Tư lệnh, nhưng sau khi một quả bom rơi ngay trước mặt cô bé, chú sĩ quan quyết định cho em về hầm tư lệnh của ban chỉ huy và đi vào phòng kỹ thuật. Cùng những cộng sự khác, cả đơn vị dồn hết sự tập trung để bắn tên lửa phá tan một tốp bay B-52 đi vào không phận. Nhiều máy bay bên địch cuối cùng đã bị tiêu diệt và nổ tung trên nền trời đen. Kết thúc trận đánh, trời cũng vừa lấp lóe ánh bình minh, chú sĩ quan rời nơi làm việc rồi chạy đi tìm Ngọc Hà và hân hoan khi biết em đang ngủ say với sự chăm sóc của một cô y tá quân đội dưới hầm trú ẩn. Cuối phim, chú sĩ quan cho biết anh đã tìm được đơn vị của bố hai em, và trong khi bố các em đang chiến đấu ở nơi tuyến đầu của tổ quốc thì anh sẽ thay mặt chăm các cháu ăn học đầy đủ. Kết phim, hai chị em Ngọc Hà gặp lại nhau tại nơi sơ tán và cùng nhau vui đùa dưới sân nhà.