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故事发生在西藏。军医林书芝决心攻克危害官兵生命的杀手高原病，他率领攻关小组已经研究了10年，第107次试验还是以失败告终。为了找到攻克高原病的方法，林书芝决定从藏医中吸取经验。林书芝用自己的行为感动了心存疑虑的郎札活佛，把藏医中防治高原病的关键藏药原料红景天告诉了他们。经过几十个不眠之夜，防治高原病的药物高原康终于问世了。然而如何攻克危害西藏人民的第二个杀手——先心病又摆在林书芝的面前。西藏被称为生命禁区，也被视为心脏手术的禁区。不少人为林书芝捏了一把汗，一场特殊的手术开始了……
西藏军区总医院的军医林放芝决心攻克高原病，但他进行了107次胸外科手术都失败了。他从老乡孔繁森那里听说阿里地区4000多米高山上的一座寺庙中的一位高僧治好了不少朝圣者的高原病，便带着博士生杨朝晖去见他。
在藏族姑娘卓玛的带领下，他们来到桑珠寺，可一连3天都没有见到郎扎活佛。当地一位孕妇就要生产了，林放芝和杨朝晖果断地为她接生。他们回到卓玛家的帐篷后累得连手都顾不上洗就睡着了。第二天早上，郎扎活佛出现在他们面前。
郎扎活佛带着林放芝和杨朝晖爬到一座山头上，找到了一种长在石缝里叫作苏罗玛布的灌木。他们带着一捆苏罗玛布的根离开了牧场。经过动物实验，一种能有效提高机体活力的抗高原病的新药投入批量生产。高原康的试制告一段落，胸外科手术的实验又要开始了。
藏族小姑娘吉吉的食道被烧坏必须切除，这意味着小吉吉将终生尝不到食物的滋味。林放芝提出一个大胆的方案，用小吉吉的一截直肠代替食道。但这个手术风险极大，而医院已经将林放芝的材料上报，准备授予其少将军衔。总医院党委最终批准了这次手术。
院党委下达命令，让林放芝休假。山东临沂的一座新坟前，林放芝跪在地上给母亲烧纸。之后他赶到大连，在大连市第二人民医院妇产科找到了妻子舒情。夫妻二人一起来到寄宿学校找到女儿西西，可西西扭头就跑开了。
林放芝放心不下吉吉，提前回到西藏。吉吉拆线了，她终于又尝到了酥油茶的滋味。军区首长向林放芝宣读了任命他为医院院长的决定。卓玛考上了草原艺术团，却被检查出患有先天性心脏病。
林放芝为卓玛进行了全面检查，发现她患的是二尖瓣闭合不全，只有经过手术修补才能彻底解决这个问题。西西考上了医学院，准备约几个朋友一起去西藏，想看看到底是什么魔力让爸爸几年不回家。杨朝晖在达戈草原拍摄的卓玛的照片《高原牧女》在全军摄影大赛中意外获得金奖。
为了使卓玛的手术万无一失，林放芝决定给患有先天性心脏病的舒情表弟8岁的女儿小美先做手术。可西在羊卓雍湖畔和同学们奔跑追逐时一头栽倒在地。西藏有史以来第一例心脏手术取得了成功。被抢救过来的可西泪流满面，终于对着手机叫出了“爸爸”。