北朝时，番邦犯境，朝廷争召退伍兵将入伍御敌。老军人花世荣膝下无长男，为十二道征召兵书所催，无奈应召欲往。其女木兰自幼随父习武，见老父体弱多病，毅然易男装代父从军。木兰从军三年，与同伍肩作战，屡建战功，被擢升校尉，深得元帅赏识。战友刘元度与木兰志趣相投，共尝军旅甘苦，结成莫逆之交。木兰艺高胆大，智谋出众，审察边关情势，以屯田养兵、防边退番之策进献元帅。其时，番主又暗集重兵准备突袭，同时密遣两番将前往元帅府诈降，两番将以重金买通元帅府军师，诡称番兵无力进攻，使骄胜轻敌的元帅中计，接受诈降。一天，木兰巡视防地，发现陈前远处群鸟惊飞，料知番邦将有重大军事行动，急与元度进见元帅，获准扮成番邦兄妹，深入敌阵侦察。旋从传令番兵身上截获进攻文书，急驰回报元帅。是夜，番兵大举攻城，一诈降番将在城内放火策应，被士兵抓获，供出军师通敌实情。元帅醒悟，下令诛杀军师和番将。番兵攻入城内，木兰一面指挥作战，一面保护元帅转移。不料元帅为另一诈降番将暗箭射中，临终自责其过，保举木兰接替元帅之职。木兰受命，率众奋战，大败番兵，杜绝边患。其时，元度也已察觉木兰乔装真相，不敢道破。班师之日，皇帝论功行赏，封木兰为尚书郎，刘元度为折冲都尉。木兰辞官不就，只求赐明驼一匹，回家侍奉父母。刘元度亦愿回乡终身侍候元帅。皇帝准予所请，赐假六月回乡省亲。木兰回家后恢复女装，与元度结成夫妇。木兰从军的传奇故事在中国家喻户晓，尤其是对1939年的上海“孤岛”来说更显得意义非凡。这部影片的出现，在当时受到了空前的欢迎，显然与当时的抗战背景和观众压抑不住的爱国心有关。实际上，这部影片也有意将叙事重点由传统的对父亲尽孝偏移到为国家尽忠，使得片中人物的言外之意更加明确。此外，影片之所以成功，也在与它制作精良，风格流利而轻快，剧本情节与对白非常精彩，女演员陈云裳也正是因为在这部影片中的表演受到欢迎而由此成为当时的超级明星。
