一九四二年冬，八路军某部尖刀排护送一位重要人物过路晋东，当地武工队在队长高风亮的带领下前去永拓寺接应，由于情报泄露，尖刀排和武工队陷入日军的重重包围之中。

八路军尖刀排排长杨克东，绰号“神刀杨”带领尖刀排一路杀来来到永拓寺和武工队汇合，不料被日军在定西的特战队少佐坂本四郎，号称“海天一刀”的传人，乔装我武工队的高风亮，率先埋伏在永拓寺的古庙。杨克东和假冒的坂本四郎对上暗号后进入寺内，遭到鬼子的伏击，尖刀排的战士全部牺牲，杨克东只身杀出重围。坂本派一小队鬼子去追赶，留下几个鬼子仍假扮尖刀排在古庙等待高风亮的到来。

而此时真正的武工队正在赶来的路上，与设伏的日军和汉奸大金牙的飞车队周旋战斗着。高风亮带副队长王子月、队员刘世林来古庙内，其余队员留在外面接应。坂本留下鬼子少尉渡滨三郎假冒杨克东和几个鬼子接待高风亮他们，自己则带特战队在其后策应，企图利用武工队接近我方要护送的首长。

高风亮他们很快就发現古庙和这些人的可疑，将计就计引诱这些鬼子到偏僻处除掉，杨克东被追赶的鬼子杀成重伤。高风亮和武工队终于在树林中找到了杨克东。杨克东带领武工队来到首长隐藏的山洞，见到首长后都怔了，原来首长竟是一个带着孩子的妇女。杨克东知道自己重伤会拖累武工队，他以死为要挟要求留下来拖住敌人，掩护武工队带领首长撤离而牺牲。随后高风亮安排武工队神枪手孙鹏负责保护首长和孩子去保垒村給孩子找吃的。在冲出鬼子的追杀后，高风亮命孙一枪负责护送她们母子安全到根据地，然后带队准备去增援交通站。

鬼子根据我军内奸的情报，镇上的交通站被暴露，因为武工队和尖刀排到古庙碰头都是交通站安排的。高风亮安排王子月以最快的速度通知交通站，紧急启动撤离方案。坂本接到鬼子中队长中岛的来电，已完成对八路军交通站的秘密包围，坂本下令要等他抓到八路军首长和高风亮后再行动。

药店内交通站周站长接到交通员情报，向在站内开会的八路军某军分区司令朱定国报告：第一老古庙那边出事了，具体情况不明；第二，交通站被鬼子包围了，请求司令员带领开会的人员抢先突围。朱定国吩咐周站长把所有的武器弹药都拿来，立即销毁文件，下令准备战斗。王子月在交通站外发现鬼子已包围了交通站，便用飞刀向站内传送突围路线的纸条。王子月弄来一辆汽车，冲破鬼子的包围圈，和交通站突围出来的司令员等人乘车突出重围回到了根据地。

分区司令部内，朱司令命令孙鹏随同手枪班，护送马德鸿烈士的妻儿，就是那位带孩子的女人去延安。高风亮趁机请示司令带领武工队去消灭大金牙飞车队的那帮汉奸。孙鹏走了，高风亮对司令员提出找一个人来补缺，司令员爽快地答应了他的要求。说过两天派人送到武工队落脚点大车店，正式向他报到。

由于内奸的泄密，孙一枪和手枪班护送首长和孩子通过黑狼谷时遭遇鬼子的伏击，手枪班的战士全部阵亡，孙一枪拼命掩护首长和孩子中枪负伤，眼看就要落入鬼子之手时，接应的部队及时赶到，救下他们才得以脱险。

绅士打扮的吕波带着一个看似妻子的女人在高风亮解救下，摆脱特务的跟踪后，一同来到大车店，王子月一见吕波叫了声“教官”后两人相抱。原来吕波是王子月在苏联特训班的教官。接着向高风亮和他队员介绍了一同来的女人叫杨小花，她是尖刀排长杨克东的妹妹。

高风亮和武工队趁大金牙娶亲时。巧妙地利用坂本精心设计的陷阱和诱饵，带领武工队员虎口脱险，歼灭了飞车队并活捉了狡猾作恶多端的队长大金牙。吕波在押送大金牙去根据地途中，被鬼子包围，不得不处死了大金牙，自己也多处受伤。坂本要运送一批武器弹药，高风亮决定炸毁鬼子的弹药库。

高凤亮得知鬼子即将把弹药装车运走时，在采取用炮轰炸弹药库失败后，武工队对鬼子的弹药库发起了强攻。正在敌我胶着对峙时，吕波身绑炸药，驾驶一辆摩托车冲向敌弹药库，用鲜血和生命摧毁了鬼子的弹药库。

《神勇武工队》用一幕幕真实、可歌可泣的敌后抗击日寇的故事，热情地讴歌我抗日军民英勇顽强，不畏强敌的热血英雄气慨，成功演绎了我八路军武工队在敌后浴血奋战中表现出的智慧和神勇，沉重地打击了鬼子的嚣张气焰。