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长辛店，依卢沟桥永定河水畔而立。故事始于1917年，纵贯百年中国历史，歌咏出民族工业荣辱沧桑的壮丽诗篇。叙事以小人物康本善、王冉秋穿针引线，勾勒出生旦净末丑的众生相，更梳理了从清末到北洋时期、民国时期、抗战时期、解放战争时期的历史风貌。记录了中国工人阶级在伟大的中国共产党领导下从无到有，到强大，到伟大的历史进程。
1917年，中国正处于历史发展的十字路口，各方势力你方唱罢我登场。北京长辛店古镇，这是进京的必经之地。军阀张勋闯入长辛店机车厂，逼迫工人康本善、万承顺、王子辰等人驾驶为慈禧太后设计的御车。住在“缝”里的贫穷户康本善，与住在“口”里的富家女王冉秋从小一起长大，两人青梅竹马感情笃深，与此同时，康家邻居之女郑玉兰也喜欢着本善。本善向辫子兵拒绝了做龙车司机的差事，大为不满的辫子兵下令将他拉出去枪毙。枪声一响，众人正痛哭流涕时，本善却乐呵呵地回来了……
原来就在辫子兵带人行刑之时，会武功的本善在巡道工石鲁平的帮助下，寻找机会逃脱，本善还抢了一条枪。石鲁平和同是巡道工的王森讨论，说康本善是个可用之人。为了躲避辫子兵，本善躲在土地庙里，被机车厂后勤小管事邓长同发现。为了拉拢本善，邓长同将他藏进自家的一间空房。与此同时，冉秋受王森之托找到本善，劝说他将枪交给机车厂护厂队，本善犹豫了下答应了，并加入了护厂队。深夜，就在就在副官等人偷运设备之时，本善、王森、葛书杰等人埋伏射击，打乱了他们的计划，逼迫辫子兵撤回到车间，王冉秋默默用照相机纪录着这一切。随后，辫子兵来报，段祺瑞的人马已经打过了卢沟桥，段祺瑞军队进京打败辫子兵，复辟仅12天的清王朝破产。
辫子兵被击退后，厂长卢卡斯意图克扣工人薪资以补偿工厂的损失，康本善找邓长同理论克扣工钱一事，邓拿出大洋单给本善发工资，以此拉拢本善。本善在送冉秋去火车站时遭到了王母的奚落，认为本善配不上冉秋，本善深受打击。玉兰在回家的路上向本善表达了想与他成亲的想法，本善大惊，连忙拒绝并跑走。冉秋的哥哥子辰来找玉兰献殷勤，不想顺子也来找玉兰，然而玉兰并不喜欢他们，搪塞几句后便离开。子辰恼火于好兄弟顺子和自己“抢媳妇”，在机车厂做工时分心出了事故。本善夹在两个好友之间左右为难，劝说顺子不成还反被质疑拉偏架。子辰在机车厂看到玉兰，决定向玉兰提亲。
万承顺回到家，得知子辰家正向玉兰提亲，正当媒婆在郑家说得天花乱坠之时，万承顺突然闯进去，称自己拿得出跟王家同样多的彩礼，并称他和玉兰的事情已经定了。为了玉兰，亲如兄弟的二人大打出手，王子辰被打得嘴角流血。郑玉兰的父亲拒绝了万母的提亲，留下了王母带来的彩礼，王子辰以为玉兰接受了这门亲事，高兴地奔走相告。万承顺觉得玉兰拒绝自己是因为嫌他没本事，于是辞去机车厂的工作，投靠了家里做米斗局生意的贾大泡。为了向贾大泡表忠心，万承顺答应帮他打断死对头邓长同的一条腿。夜黑风高，断了腿的邓长同找到本善合计是谁下的黑手。
冉秋为了不耽误哥哥子辰和玉兰的终身大事，要求本善向玉兰表明立场好让她死心。本善向玉兰挑明自己一直将她当妹妹，气恼的玉兰赌气般地答应了和子辰的婚事。然而子辰并不希望玉兰因委屈而嫁给自己，反倒是拒绝了玉兰。相谈之间，玉兰感受到了子辰真诚的爱意，对子辰动了真情，二人决定结为夫妻共白头。邓长同向警长暗示与自己有恩怨的贾大泡就是凶手，然而警长提前收下了贾大泡贿赂的大洋，抓捕了同样练过功夫的康本善。
康本善被抓进警局，得知情况的邓长同立刻准备大洋赎人，与此同时万承顺也筹钱给警长赎人，顺子跟被困在狱中的本善说子辰在外面大办婚事，让本善以为子辰只顾办婚礼，不顾及身处牢狱的他，因此对子辰心有不快。出狱后本善找子辰兴师问罪，子辰莫名受气，两人暂时断了来往。1917年底俄国十月革命取得胜利，革命思想迅速传播到中国，冉秋也在李大钊的课堂上学习了进步的革命思想。出狱后，本善失去了护厂队的工作，王冉秋给康家送来了猪肉和白菜贴补家用，并向本善解释当时大家并不知情，本善与子辰之间的误会就此解开。
本善根据师傅留下的方子给邓长同调理，邓也帮本善回到机车厂上班。1918年秋，本善跟进步工人骨干葛书杰熟识起来，并帮助葛开办识字班，成立了工人夜校。这年冬天，毛泽东同志第一次来到长辛店，在夜校里给工人骨干讲课，揭露了工厂“旧工会”的本质。与此同时，蔡元培等进步人士在长辛店组织了留法勤工俭学预备班，冉秋邀请本善一同加入学习。本善的父母本不同意他入学，冉秋将本善想成为大工匠的理想告诉康父，康父终被打动。
本善和冉秋学习期间结识了工程师闵工，本善也被闵工的才能和气节折服。万承顺离开了米斗局，自己开了杂货铺偷卖粮食，无意间得知本善上了留法预备班的事情，万承顺心生嫉妒，向工人骨干石鲁平造谣，说本善其实是思想落后分子。法国留学名单公布，冉秋名列在内，本善却因万承顺的诬陷而名落孙山。冉秋想在出国之前跟本善订婚，然而却遭到冉秋父母的阻挠。冉秋踏上了离家的火车，火车开动，本善正躲在车站的一角。
本善为了减轻工人的工作强度，几次登门拜访闵工，最终让闵工同意设计吊车。吊机的效果让厂长很满意，本善借机为工人争取权利却激怒了厂长，厂长让邓长同收拾本善。邓设下计策，让本善和一同前来的万承顺被关进监狱。邓长同得势后警长以买凶罪将贾贵送进监狱，邓长同在牢房威胁贾贵将斗米局转到自己名下，完事后勒死了贾贵。警长向警察局龙局长汇报贾贵之事，原来局长早已和邓长同串通好，斗米局一半的股份已经预留好给龙局长。
邓长同“装好人”将本善救出，其后又保出了万承顺。邓长同向万承顺挑明他就是袭击自己的凶手，在邓长同的恩威并施下，万承顺无奈答应日后都听令于他。万承顺认为是本善出卖了自己，于是对本善心生嫌隙。本善在撞见邓长同与厂长、警长等人沆瀣一气后，向骨干工人们揭发邓长同的真面目，于是众人明面上推举邓成为旧工会的副会长，私下在毛泽东同志的鼓励下酝酿成立自己的新工会。1921年春，在北大师生的捐款帮助下，劳动补习班成立了，李大钊派吴世驹到长辛店工作。
万承顺对本善心有不快，于是领了冉秋寄给本善的信。本善听闻后去找万承顺要信，二人差点大打出手。吴世驹担任铁路工会的组长，决定发动社会各行业人士加入，包括万承顺等商界人士。万承顺和工会熟络后得知了工会要串联工人讨薪的计划，遂将情况告知邓长同，邓转头便透露给警长等人。葛书杰并不认同吴世驹的想法，但吴一意孤行，坚持组织讨薪运动，结果现场无人响应，讨薪运动失败。深刻检讨反思后，吴世驹重新组织工人，准备在7月7日发动全线铁路工人大罢工。
邓长同有意设宴缓和本善与万承顺的关系，二人赴约后把误会说开，兄弟俩重归于好。本善找到开火车头的郑老虞，想让他7号拉响火车长笛作为罢工开始的信号，郑父不愿丢了工作遂拒绝，闵工提议本善可以佯装成大盗劫持火车拉响汽笛。罢工日期无意间被邓长同及县长、警长等人知晓后，众人决定将罢工提前到6号。6日一早，本善和子辰蒙上脸罩，绑架了郑老虞。火车长笛拉响，机车停运，全铁路系统罢工，上千名工人静坐要求归还工钱。
蒙面大盗身份成谜，县长为防止事态扩大，保住自己的官衔，被迫答应了工人罢工提出的要求。工人们又打出旗号“卢卡斯从工厂滚出去”，县长再次妥协，将卢卡斯驱逐出厂，由马福暂时管理工厂。警察局龙局长成了罢工事件的替罪羊，由李官效接任局长。1921年秋，长辛店成立党小组，吴世驹担任组长，石鲁平担任铁路工会委员长。邓长同将米斗局的七成股份划到了李官效夫人名下，赢得了新警长的信任。茶馆中，邓长同迷上了唱评弹的乔大花。
邓长同给乔大花租了一个院子金屋藏娇，没想到被邓长同媳妇发现。忌惮邓妻娘家的权势，邓长同表示不会再跟乔大花来往，但邓妻不放心，决定设法给乔大花嫁了。在邓妻的授意之下，邓长同以当斗米局帖主的位置逼迫万承顺娶乔大花，万承顺无奈同意。举办婚礼当天，本善来送份子钱，得知新娘是乔大花，犹豫一番后将乔邓二人的事情说了出来。万承顺还没结婚就被戴了绿帽，于是立刻退婚。面对邓妻的质询，万承顺借口有算命先生说他和乔大花水火不容，必将丧命，邓妻无奈离去。
警察局决定将铁路工会赶出祠堂口据点，限定邓长同短期内办成此事，邓长同再次以废除万承顺帖主身份作为威胁，让他赶走铁路工会并且娶乔大花。万承顺雇佣闲散人员老五等人去铁路工会闹事，老五胡搅蛮缠连闹三天，石鲁平等人束手无策，第三日本善赶到，将老五等人狠狠教训了一顿。这时警长带人到场，将现场所有人带走。李局长要严查众人，石鲁平明白警察局蓄意找茬，便以处分老五为条件，同意铁路工会“关门”。随后，铁路工会暗暗迁回铁道小屋。 为了保住帖主的工作，万承顺找到乔大花摊牌，两个苦命人身不由己决定成婚。二人重新举行婚礼，婚礼上，邓妻过河拆桥收回万承顺的帖主工作。万承顺和大花都明白，邓家两口子都不是可依托的人。
冬日，王冉秋、顾一盼等人从法国回到了长辛店。吴世驹私下提醒冉秋，康本善身上有土匪习气，党内事宜要暂时对他保密。冉秋见到本善后，没谈感情先谈工作，两人三年没见，审问的语气让本善既委屈又气愤，二人不欢而散。本善到了闵工家，发现杨宝丽也在，闵工有意撮合本善和宝丽，然而两人都心有所属，宝丽喜欢的是闵工。厂长计划对工厂进行扩建，闵工在面前推荐了徒弟本善，于是本善被调出了炼铁车间，进入技术室工作。万承顺用全部家底开了一家客栈，还用剩余的钱买下了邓长同送给乔大花的小院，想着两口子今后与邓长同再无瓜葛。老五因上次闹工会的事情进了局子，看到万承顺开客栈后决定要讹他一笔做补偿。
万承顺被老五绑架，乔大花收到写有三天内用一千大洋赎人的纸条，万家为了赎金发愁，万母借此说大花是丧门星。乔大花走投无路求助邓长同，邓长同同意帮忙将客栈当出去。乔大花不愿再当万家的丧门星，用典当换来的钱救出万承顺后与他和平分手。车间里发生事故，两名工人被砸伤，然而工厂拒不承担任何责任，并将受伤工人开除，这引起了工人们的愤怒，各车间纷纷停工抗议。在谈判会上，工人们指出工厂的不作为，同时揭发了火车房总管贪污的事。万承顺重返工厂上班，但情绪依然低落。万承顺分到纠察队工作，而纠察队队长正好是王子辰，在本善的帮助下，万承顺与王子辰的关系缓和，三兄弟终于重归于好。
石鲁平代表工人提出了具体的诉求，然而政府这次并不妥协，郑老虞再次拉响了汽笛，声势浩大的罢工由此举行。北洋政府派遣大批北洋军来到现场镇压，无所畏惧的工人们与北洋兵在铁路上形成对峙。随后，郑州、山海关等地的工人也举行了罢工以示支持。最后政府答应工人的所有要求，罢工最终取得了胜利。本善和冉秋本想立即结婚，但就在婚事举办的前一日，本善被派去护送重要人物到苏联参加国际会议，两人结婚计划再次泡汤。1923年初，本善被派到郑州，去留意在郑州召开的京汉铁路总工会成立大会的情况。吴佩孚下令阻止总工会成立，与会代表们英勇冲进会场，坚持召开成立大会，并通过总工会章程。总工会决定2月4日京汉铁路大罢工。
康本善想乘火车返回长辛店，却遇上罢工停运，恰好遇到了多年不见的山羊胡子，便劫了他的车开回长辛店。总工会在京汉铁路全线发动罢工，邓长同提议从外地调来一批工人，造成工人复工的假象。同时，警察局将石鲁平、吴世驹等骨干逮捕，以酷刑逼迫他们签字解散罢工，二人拒不签字。众人从贺厨师处打听到石、吴二人被关在警察局，为救出被捕同志，工会决定发动工人包围警察局，并让冉秋等人紧急进城报告上级。罢工工人包围了警察局，要求释放工友，刘副官接到开枪命令，带着北洋军赶到现场，与工人队伍发生正面冲击。枪声四起，葛书杰、王子辰等人被射中，倒在了血泊中壮烈牺牲。本善回到了长辛店，看到警局的惨状心中满是悲怆，决心为好兄弟复仇。
本善抓住了喝醉的刘副官，将刘副官绑在子辰的墓碑上枪毙。罢工被镇压，工头贾大泡回到工厂耀武扬威，不仅克扣工钱，还欺负工人。子辰走后，玉兰带孩子日子过得很艰难，与婆婆之间也产生了矛盾，于是玉兰带着儿子回娘家住了。本善带着兄弟们抢了北洋兵的卡车和两支枪，让同伙把枪藏好，自己则想办法把汽车卖了换钱补贴死者家属。本善找到邓长同，谎称自己抢来的那辆卡车是山羊胡子的，邓长同出50块大洋买下卡车，并帮助本善回工厂上班。子辰的死让本善非常悲痛，他将自己每个月的工钱一半给玉兰补贴家用。
