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本剧讲述了1946年秋冬，因战争情势变化，延安第二保育院受命组建队伍，护送136名孩子前往安全区域的娃娃长征的故事。全体保育员和战士抱着大人在孩子在，大人不在孩子也要在的信念，浴血牺牲保护全部孩子们的周全，在枪林弹雨恶劣环境的迁移中，最终完成了这一壮举，孩子们无一人伤亡完满交回父母手中。这种坚定信仰下的舍己为人，不怕牺牲的崇高精神，也成为马背摇篮精神，持续感染和影响着当下时代。
1946年底，国民党全面进攻解放区。中央紧急命令延安保育院五天内转移一百多名儿童。军委派卫戈明任院长，保教科长文纫秋却觉得他不靠谱。六岁男孩抗抗喊卫戈明“爸爸”，卫戈明认了这个“儿子”。卫戈明带着抗抗找军委首长，用激将法争取到“赤兔”等优质战马。党支部书记向黎明去后勤部争取物资，文纫秋到组织部动员女同志支援。文纫秋成功动员十余名女同志加入。保育院院子里马匹成群，运输队长徐舟对卫戈明的本事佩服得五体投地
文纫秋质问卫戈明越权调动物资和人，卫戈明反驳。许砚青报到，提议给孩子体检。次日干部会议，卫戈明哄抗抗睡觉迟到，炊事班长石大山端来冬瓜汤，解释说补充营养，卫戈明带头喝汤，向黎明和文纫秋因没“开小灶”经验不敢喝。卫戈明部署转移计划，提出十天内渡黄河，文纫秋和运输队长徐舟质疑，卫戈明展示驮床图纸，要求三天内制作68套，众人各司其职准备。
老保育员张秀芹给新保育员示范换尿布时，一孩子拉屎，弄脏林书仪的手，她恶心哭了。保育员王麦穗嘲讽她娇气。文纫秋开大会，说明转移艰苦，适应不了可以离开。林书仪想走，被贾红梅等指责，哭着跑出保育院。卫戈明找文纫秋理论，文纫秋坚持保育员需有责任心。林书仪被调到通讯科，仍遭冷嘲热讽，文纫秋前去安慰鼓励。怀孕的高春苗因住偏远村落无法转移，组织决定减少一名孩子。乡亲们载歌载舞欢送保育员。
高春苗坚持送七一转移，丈夫杨老怂和儿子杨根连夜赶山路将孩子送到延安保育院。离别前，众人做最后告别。转移前最后一次会议上，各项准备工作汇报完成，孩子们已适应驮床。康大姐带来肉罐头、药品和医疗用品，交给文纫秋十块银元作为应急经费。乡亲们几宿未眠为孩子赶制粮袋被褥。康大姐发表演讲，全体保育院工作人员在党旗下庄严宣誓，誓要平安送达孩子。次日清晨，队伍在康大姐和乡亲们的泪眼相送中踏上征程。
首长送来神枪手赵铁柱和罗二娃保护卫戈明。大队行军速度落后，卫戈明下令加速。孩子如厕进食需停下，他主动降速，坚持到密林休整。进入密林后，卫戈明要求边走边吃炒面节省时间，文纫秋反对，坚持按时喂孩子流质食物，最终在向黎明调解下，折中把喂食时间压缩为40分钟。炊事班煮出野菜疙瘩汤，孩子们喜悦。卫戈明时刻警觉。敌机轰鸣，保育员护住孩子，卫戈明欲引开敌机，赵铁柱带战士扛红旗疾驰，让卫戈明带众人隐蔽。
傍晚激战结束，敌机远去，保育院无伤亡。卫戈明令就地宿营，让石大山放开手脚供饱餐。深夜赵铁柱未归，石大山又失踪，形势骤紧，文纫秋自责不已。黎明，赵仍无影，卫戈明只得率队继续出发。刚出谷口，山岗军号响起——赵铁柱等骑马生还；石大山也赶着奶羊追来，所谓“逃兵”是为婴儿找奶。队伍重整，笑声再起。杨老怂赶到延安，见保育院已转移，驾车再追。
八天后，保育院抵黄河边村庄休整。支部会上，卫戈明总结行军并定渡河方案，文纫秋提议先带孩子熟悉黄河。黄昏到壶口瀑布，烈士遗孤贺缨子领唱《保卫黄河》，众人大合唱歌声与涛声交融。许砚青给孩子们盖被，分乘三船渡河，棉被裹驮床，全员安全登岸。突遭敌机空袭，卫戈明令弃物资保孩子，贾红梅负责的婴儿六月被遗落。文纫秋、卫戈明、王麦穗冒死救回，向黎明中弹，平日积极的贾红梅惊慌失态，众人震惊。
过河后，保育院在柳家庄休整。卫戈明、文纫秋探望腿伤中弹的向黎明，许砚青称创面大需静养。夜里保育员开会，贾红梅因丢婴成众矢，收拾行李欲走。许砚青携林书仪赶到，揭其患“战争神经症”，重庆轰炸失全家致恐惧，非怯懦。众致歉，文纫秋倡互助。晨间待发，向黎明缠绷带拄拐欲随行，被卫戈明拆穿重检：伤口已感染化脓，不静养恐截肢或败血症，向仍坚持。
向黎明被劝留下养伤，但坚持档案箱随队。文纫秋誓以生命护档。抵贾家庄，援军遭伏、渡口失守，被迫原地待命。集市上，卫戈明遇老战友独立团长张啸川，两人言语较劲。妞妞反常讨糖，欲慰伤员，获战士王大海回赠弹壳哨。文纫秋带头献唱革命曲，童声动人心，张啸川当即应允全力助渡，战士群情激昂请缨开路，孩子们久久敬礼。
凌晨六点，独立团突袭渡口，保育院借浮桥渡河。文纫秋把档案分装贴身，湍流中桥断，三童落水，战士奋救；妞妞推六月上岸，自己却被漩涡卷走，赵铁柱为救她也失踪。文纫秋忍悲护档案继续渡河。众闻妞妞落水前喊“妈妈”，方知二人是母女，肃然起敬。营地内，文纫秋只低头整文件；赵铁柱获救却未归队，顺流寻妞妞。刘知远联络援兵，卫戈明密议搜救，韩凤霞等请缨，文纫秋却拒离队。
贾红梅因弄丢妞妞而自责。石大山煮汤，文纫秋转喂高烧的六月；六月夸妞妞勇敢，文纫秋稍感宽慰。石大山炫金表，自称首长所赠。林书仪翻译上级电报：命保育院立即北撤深山。队伍次日抵荒村，村子曾被日军扫荡，众人心里沉重。现实严峻，食物不足，野菜将尽，补给成难题。卫戈明决定打猎，石大山偷拿罐头给孩子改善伙食，计划下山搞物资。孩子们难咽野菜，文纫秋用最小红军故事激励，抗抗带头，孩子们纷纷吃饭。此时石大山失踪。
知石大山独自下山，文纫秋与许砚青去接应，让林书仪报信卫戈明。石大山到镇与农户买猪，差一块大洋，农户知其共产党，主动免差价，石大山承诺还钱。保安队误认石大山是共产党团长，毒打逼供，他坚决反抗。保安队长欲枪毙石大山。文纫秋、许砚青及时赶到将其救下。石大山抢回煮猪肉，三人欲逃，镇口传来枪炮声、冲锋号，保安队误以为解放军大部队来袭，赶往镇口，许砚青趁机扔手榴弹，卫戈明等人支援，击退保安队，众人分两队撤离。
保安队得知共产党在转移孩子，心生歹意。卫戈明批评石大山无组织无纪律，但石大山坚持先为孩子做肉吃，指挥腌肉、包饺子。饺子煮好，石大山让王麦穗给文纫秋送饺子，文纫秋将饺子放在窗台祭奠女儿妞妞，王麦穗感动落泪。深夜，罗二娃站岗发现赵铁柱背着妞妞归来，大喊妞妞回来了。文纫秋惊醒，冲出门外，母女紧紧相拥，妞妞叫她“妈妈”，众人动容。赵铁柱被救后沿汾河在老乡家找到妞妞。一营国军在保安队带领下正向荒村行军。
妞妞饿了，石大山送饺子给让妞妞和赵铁柱。妞妞分饺子给赵铁柱、文纫秋和石大山，感动众人。妞妞提出叫文纫秋阿姨，文纫秋称赞她懂事。卫戈明决定立即转移队伍到更深的山里，将指挥权交给文纫秋，文纫秋坚定应下，带着保育院连夜转移。卫戈明和战士们前去侦察，发现数个敌军伏击点，成功埋伏敌人，迫使其撤退。杨老怂一行来到镇子，保安队队长见七一面生白净，疑为“共军崽子”，强行抓走杨老怂和七一，杨根儿因恐惧未敢相认。
杨老怂在保安队审讯室受拷，因身上边币被定罪，押往刑场。杨根儿搏命相救，父子联手反击，杨老怂以脚镣勒敌，杨根儿夺枪击毙追兵，救出七一。逃亡中杨老怂掩护子女，小腿中弹滚落山坡，最终杨根儿折返，父子三人深沟重聚。保育院因井水苦涩陷入困境，孩子们拒饮苦水粥，面临断粮。卫戈明与文纫秋用山西老醋调味，带头吃喝，以“小红星”鼓励孩子进食。党员干部会决定寻新水源，卫戈明与文纫秋冒险访独居老汉，却遭持锄相拒。
石大山用木炭过滤法改良水质，孩子们喝上不苦涩的水，但不久多名孩子上吐下泻，卫戈明决定寻找真正甜水源。次日，王麦穗带孩子们山坡游戏，吸引老汉孙女观望，女孩引她回家取清甜泉水，王麦穗惊喜汇报。卫戈明与文纫秋携礼再访，仍被老汉赶出。夜幕降临，女孩带王麦穗寻泉，遇狼袭击，老汉搏斗受伤，卫戈明率战士赶到击毙恶狼，赵铁柱近身解围。老汉腿伤，孙女哭求，最终接受救援，军民关系破冰。
孙女被打动，带卫戈明找到溶洞甜水泉，许砚青为老汉处理伤口，石大山递酒缓解疼痛，军民隔阂消融。营地恢复生机，孩子们玩游戏，肖凤霞教“人民”，老汉孙女在旁学习，被肖凤霞纠正握姿。文纫秋也注意到孙女，递给她铅笔和纸张。孙女渴望加入队伍，卫戈明因纪律和赡养问题拒绝，但孙女学习刻苦，爷爷恳求。肖凤霞接到丈夫牺牲噩耗，强忍悲痛，提出与王麦穗和新姑娘组成互助小组照顾孩子，实则希望破格接纳孙女。
党支部全票同意女孩加入队伍，众人起名，最终肖凤霞所起“麦芽”被选中，女孩更名为梁麦芽，穿上军装成为新成员。麦芽与麦穗值夜照料孩子。离别时，老汉忍腿伤烤石头饼相送，目送队伍远去。保育院在解放镇休整，石大山还猪肉钱，赢得百姓赞誉。卫戈明拜访胡团长致谢，对方因通讯兵损失请求支援，林书仪主动请缨，告别战友与刘知远，奔赴前线。
行军途中，蒙古族男孩巴图因思念母亲、坚称在镇上看到身为战士的母亲而哭闹拒食。政委卫戈明认为不应为“孩子小事”动用战时资源，严拒核实或接人。文纫秋暗中核实，确认其母苏日娜确在镇上，二人因此激烈冲突。巴图情急吞铁片自残，高烧病危。经许砚青用野韭菜救治转危为安后，卫戈明面对孩子的执念与同袍的坚持，对自己僵化执行纪律、忽视人情与战士需求的决定，深感愧疚。
文纫秋连夜找到苏日娜，苏日娜却以军心士气为重，强忍思念拒绝探望。暗中带巴图同来的卫戈明，与孩子一同听闻了母亲的抉择。为让母亲放心，次日巴图与文纫秋在镇街搭台表演《兄妹开荒》，苏日娜含泪带队出征，巴图高喊“打胜仗”送别。误会解除，文纫秋得知苏日娜的决定，并向卫戈明致歉。许砚青告知卫戈明曾有过孩子，卫戈明最终吐露实情：三年前，其妻因革命牺牲，四岁女儿下落不明。得知真相，文纫秋向他庄严敬礼。
