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该剧是建党百年献礼剧献礼剧，1959年夏秋，一场大旱无情吞噬林县，河塘、水库干涸，庄稼大面积枯死，人畜用水陷入极端困境。林县县委一班人在县委书记杨桂带领下，决心彻底改变林县祖辈缺水困境。经过缜密实地调查，县委决定修建引漳入林工程红旗渠，重新安排林县河山，彻底改变林县人民自古缺水困局。杨桂和县委一班人带领林县人民，克服自然灾害带来的重重困难，顶住部分人冷嘲热讽，千军万马、战天斗地修建“引漳入林工程”，历时十年，终于在太行山腰修成了人工天河红旗渠。
1959年，夏末秋初，一场大旱让原本就常年缺水的林县山区，水成了奢望的生活必需品。上下疙瘩村是岩上岩下相邻的两个村子，大旱之年，两个村子都缺水，共同依靠一处断崖缝隙下滴答的一点水度日，这里被称为“龙王鼻子”。两村对取水有商量，但上疙瘩村石家石水生破坏约定，强行接了一罐子水，下疙瘩村对此感到不满，下疙瘩村顾家顾大海领头找石水生要说法，两村因此事闹了起来。石家和顾家分别是上下疙瘩村的大户，因为水的问题，已经吵了几十年。这一次上疙瘩村破坏规矩取水，是为石家水生娶媳妇做准备。石家的亲家要求新娘回门，必须得带一罐子水，不然就不结婚，这罐水直接引发了上下疙瘩两村的矛盾。
引水修渠会议上，林捷部署去境外寻水，为将来修建引水渠做第一期的勘测，引来童昆的一连串问题。去林县祭祖的桑老汉回到山西平顺，石家曾对桑家有恩，所以桑老汉想让女儿桑红嫁给石水生。吴念祖面对妻子李惠贞的离世，下定决心离开林县。林捷得知吴念祖要离开林县，便追到车站，挽留吴念祖。林捷把他带回第一次认识林县的山间，再次提起当年他们立下的约定，恳求吴念祖继续留下来为林县修渠引水。
林县县政府为了旱情、解决群众的用水问题，林县群众一起开始寻找水源。李明阳担心寻水工作有很多的困难，不仅加大了县委的工作量，还不能解决百姓的实际用水问题，找到林捷商量。冯筱怡心疼丈夫，默默支持他。石头爷担心上疙瘩村的牲畜不够用，想去下疙瘩村顾大海家借牲畜拉水。但石家和顾家两家不和，早在两位老人年轻的时候，两个村子争水，之后三十年两家没有来往。但为了寻找水源，石头爷决定放下面子，他亲自上顾家求和，协商一起寻找水源。
石水生和顾大海相互看不顺眼，两个人都挑头要做运水队的队长，最终两个村子还是没有达成一致，石家兄弟和顾大海兄弟，都自愿带领一支寻水队去寻水。就在村民因缺水而困难之时，石水生先一步带回了水，解了林县的燃眉之急。石头爷不顾往日矛盾，命自己的儿女带水救人，石顾两家的矛盾一朝得解。石水生和顾大海的寻水成功给林县县委打了一针强心剂，在得到上级的同意后，林捷决定分成三个工作组，第二天就展开寻水行动。
经过实地考察，余副书得知了林县旱情的真实情况，认同必须先解决水的问题。经过协商后，寻水队分成了两支队伍，一支是村民的自发寻水队，另一支是由吴念祖领头的工作组。自发寻水队找到了水，路上二瞎子为保水掉落山崖离世，而工作组这边也因为道路的选择产生分歧，水生和吴念祖争论不休，最终在孙士厚的劝说下，采纳了吴念祖的意见。一场雨缓解了林县的旱灾。
测量渠线的事迟迟不动工，村民开始担心，而一向支持林捷的高书记给林捷分析了当前的大环境和经济形势，不同意修渠。余副书记与高书记亲自来到林县，监督林县的秋粮生产工作。余副书记看到“修渠筹备小组”的牌子很生气，严厉批评，并命令立刻撤下牌子。当余副书记和高书记就看到了林县缺水的惨状，两人终于理解林捷的决定不是任性妄为，宣布了省委同意修渠的指示。
勘测队即将动工去到大王屯，水家老爹来送别三个子女，嘱咐水生到了大王屯要去看“茂林叔”，他曾经也是林县的人，也许可以帮上点忙。一伙人赶路，桑红来迎接帮忙安排住宿，水生与桑红发生口角，带着一小伙人不服从安排，非要自己找住宿，并找到了茂林叔借住在他家，结果茂林叔就是桑红的爹，最后除了水生，勘测队都住在了茂林叔家。平顺县委给出态度，支持修渠，但要修建水电站。勘测队开展工作，在崇山峻岭之间，艰难进行着测量。林县开会，林捷提议每个月多给勘测队10斤粮食，大家都同意，却在这个时候接到了余副书记的电话。余副书记告诉林捷全国闹粮荒，建议暂停测渠行动，首要是解决粮食问题，林捷保证两项行动都不会耽误。
吴念祖因为水莲受伤，水莲却为此感到高兴。水莲发现吴念祖穿的鞋破损，没穿自己做的新鞋，问对方缘由，吴念祖声称“鞋不合脚”，一语双关拒绝了水莲，水莲伤心。随着“引漳入林”工作的持续开展，顾家和石家也慢慢解开心结，团结在一起修渠引水。但修渠引水没有得到上级的支持，林县引水工作困难重重。林县再次提交计划，地委对引漳入林的行动依旧不统一，只能上报上级。
再次勘测后，数据无误，林县众人等待省委决定，林捷忧心忡忡，安筱怡告诉林捷自己被安阳研究所录取了，林捷特别支持，安筱怡为稳定军心，放弃了调动工作。水莲依旧不放弃，给吴念祖做了很多鞋，吴念祖不肯收，还当面送了别人，水莲气愤离去。上级调查村民余粮，被乡民对“引漳入林”的决心鼓舞，乡民更扬言砸锅卖铁也要修渠，林捷终于决定动工，大伙都干劲满满，但资金不足，只能努力。
林捷想赶在年前拿到上级批文，正月十五一过马上动工，上级得知林县准备正月十五正式开工，受之前童昆的影响，余副书记提出了自己的担忧。林捷听不进岳父修渠要讲科学的担忧，两人有些不愉快，夹在中间的妻子冯筱怡有些难为情，为了不给女儿添麻烦，父母两人一起离开了林县，留下一笔钱支持水渠建设，并让冯筱怡转达自己的解释。修渠引水需要大量钢材，李明阳去到钢厂找老同事老王寻求帮助。
上级召开会议商量引漳入林工程的具体事宜，石水生等人在乡间组织施工队，顾秀芳也成立了一支铁姑娘施工队。林捷让宣传部工作人员通过广播向大家通报引漳入林工程安排，听到喜讯的村民高兴不已，无数鞭炮声在街上响起。施工队正式出发，吴念祖却得知母亲身患重病，一路上忧心忡忡。林捷得知这个消息后，让他安排一下修渠工作就赶紧回去。山西平顺县为林县施工队准备了房间，却没想到林县来了很多人，桑红又赶紧想办法为大家解决住宿问题，最后石水生决定带领施工队里的男青年就地搭棚扎营。
吴念祖安排完初步工作，便回家照料生病的母亲。吴念祖照顾着母亲，但心却一直在修渠大业上，而母亲也看出他的心意，让他赶紧回去，吴念祖含泪离开。吴念祖回到工地，见到的却是满地乱象，他查看施工进度，与农民发生争执，差点就被殴打。山上的石头又大又硬，炸药用量远远超出预期，给施工预算增大了很大压力。邻县的书记葛大年来到余副书记房间，见到了李明阳，说出要借粮。李明阳说这事儿他自己做不了主，需要回去和大家商量后才能决定。余副书记征询了高书记的意见，最终认为引水工程缓一缓。
童昆受命进驻工地实地调研引漳入林的可行性。童昆来到平顺县，找桑红了解施工队的情况，童昆到指挥部指责孙士厚，但众人忙得没有功夫搭理他，心中却十分不悦，这时又遇见晃悠投诉，说工程根本干不成，了解情况后，他连夜写报告。工地上，顾大海、石水生后悔与吴念祖的冲突，吴念祖是懂技术的人，经过一番争执，大家决定集体拜吴念祖为师。指挥部里，吴念祖考虑到现状，提出暂且延缓进度，来培训一批有技术基础的民工，孙士厚当即答应。最终，施工队暂停施工，开展技术培训。
培训课上，大家听不懂吴念祖的授课内容，吴念祖误以为大家不想上课，不认真听讲，十分懊恼。而另一边，冯筱怡的课程却进展的十分顺利，吴念祖向冯筱怡说出了自己的困惑，经过冯筱怡的开导，吴念祖重拾信心。 重拾信心的吴念祖认真授课，但大家的学习状态依旧十分涣散，下课后大家更是吵闹着一起打牌，吴念祖恼羞成怒，矛盾再次激化，吴念祖离开平顺，回到林县。林捷教育了吴念祖，认为他没有勇气承担责任，吴念祖也意识到了自己的问题，重新返回工地，并立下“不引水成功绝不下山”的约定。石水生、顾大海等人也明白吴念祖的良苦用心，带领村民主动给念祖道歉，吴念祖十分感动，大家士气大涨。
工程正式命名为“红旗渠”，孙士厚和吴念祖来到工地视察进度，工作之余孙士厚和工人一起比赛砸钢钎，活跃气氛、鼓舞士气。盼水和大海运粮时粮车坏了，由于时间紧张，便私自借了大王屯村民的驴用来运粮。水莲跑到山头找吴念祖，却看到他忘我的在拉二胡悼念亡妻，不禁内心失落。石水生和吴念祖交流发现只要有足够的水平仪就能加快进度，但目前根本不够用，于是自告奋勇，他通过水桶里的压水板组装了一个土质水平仪，命名为水鸭子，得到了吴念祖的称赞。
童昆将工程进度缓慢的情况报告给余副书记，余副书记再次担心起来。林县县委会议上，吴念祖如实说出自己预估可能持续数年的工期，所有人都震惊，“红旗渠”面临停工的境地，倔强的林捷安抚大家，终于使工程继续下去。随着水鸭子的应用使工程进度加快，分水隧洞提前打通，然而连续两次拦水坝合拢失败，让士气再次受挫，所有人焦急难耐，吴念祖把自己关了起来。水莲拿着包子进帐篷安慰吴念祖，吴念祖接受了她的好意，水莲羞涩的跑开。最终孙士厚和吴念祖带着大家在湍急的河水中构建起了人墙，迎来了成功。
红旗渠渠首工程完成并且试水成功，林捷激动地向上级汇报。另一边工程队即将进入下一阶段，桑老汉一家给石头爷一家送行，并商量起水生和桑红的婚事。工程队进入太行山最艰险的路段-太岁山中开工，面对这段险峻的环境，工程队情绪高涨，然而就在这时，吴念祖却收到了母亲病逝的消息，虽悲痛万分，但为了修渠，吴念祖决定瞒下这个消息。另一边，水生为之前的事来大王屯找桑红道歉，却没碰见，原来桑红去太岁山找水生去了，当水生再次来找桑红，却发现桑红家在办喜酒，水生以为桑红结婚了，愤而离去，桑红连忙追上，解开了误会，经此两人感情更加深厚。
工程队开会讨论炸药开山，水生估量出所需炸药用量，引得众人称赞，并决定派出水生的青年突击队去进行爆破作业。水生和顾大海聊天，并立下赌约，谁干得好就请喝酒。另一边水莲和吴念祖学习工程知识，学得也越来越好。石头爷得知工程队要在太岁山爆破，担心孩子的安全，决定前去探望，但因为临时有事就让桑红过去。工地上，顾秀芳发明的高效率的打钎方式，得到孙士厚称赞，在工地上推广。终于到爆破的那一天，一声炮响，山体滑坡，工程队遭到重创，顾大海、盼水遇难，水莲的腿被砸伤，红旗渠工程有了巨大阻碍。
冯筱怡去疙瘩村找到林捷，见林捷沉溺在悲痛和自责中，冯筱怡陪伴左右，并点醒了他，林捷重新振作起来，召开一个特别的追悼会。追悼会现场。民众们大受触动，逝者盼水的媳妇将13岁的孩子交给工程队，表明决心，河娃就此加入了后勤保障队，高书记和余副书记深受震撼。经此一事，红旗渠的修建更加谨慎，吴念祖决定亲自上山排除隐患，在随后的会议中，大家一起商量如何解决这个当务之急，水旺提出把人吊在山壁上用长杆排除碎石的办法得到全员通过，水生和水旺前去作业。
石老汉去前线，得知工地上缺炸药的困难，想到了以前制造土炸药的办法，于是找到顾峰山制造炸药支援。作业引起山体滑坡，淹没了渠道，工程队紧急翻修，而吴念祖也终于向水莲表达了爱意。与此同时，石老汉和顾峰山两人相互砥砺，最终研发出自创的土炸药。水生和水莲也回到了工地，红旗渠工程再次开始爆破作业。
