一九四四年，苍茫海面之上，一艘货运船只正向日本方向航行。船舱内满载着来自中国的战俘与劳工。其中包含以周尚文(段奕宏 饰)（段奕宏 饰）为首的国民党军队被俘人员，以萧汉生(裴秀彬 饰)（裴秀彬 饰）为核心的八路军被俘人员，以及围绕刘家正（王伟光饰）聚集的普通劳工群体。这些人被不明缘由地运送至一座名为仓津岛的日本岛屿。在该岛上，日军为应对可能在本土发生的决战，正以高度保密的状态进行军事防御工事的修筑。为完成此项工程，大量中国战俘与劳工每日被迫承受繁重体力劳动，他们忍受饥饿，屡遭日本士兵的屈辱对待。逃亡的企图只会招致残酷处决。在此种严酷而非人道的环境中，战俘与劳工们依然怀揣返回家园的期盼。
劳工营总监冈田(矢野浩二 饰)（矢野浩二饰）曾向战俘与劳工作出承诺：此处乃重要仓储基地，只要按期完成工程，即可遣送众人归国。周尚文对现状进行分析后认为，当前最适宜的策略是遵从冈田指令，尽快完成工程建设。活着回到祖国是周尚文最深切的愿望，因此他告诫所属部下不得反抗日方人员，应勤勉劳动以争取早日返乡。
萧汉生与曾任国民党间谍的夏明远（李光洁 饰）则迅速察觉此项工程实为日军关键军事防御设施。为阻挠工程推进，他们持续暗中组织所属人员，尝试以各种手段破坏建设进程并寻求逃脱机会。理念的差异导致双方阵营产生对立情绪。某次日方发现劳动工具遭破坏，遂决定惩罚全体劳工。萧汉生主动承担责任，被日军囚于铁笼之中遭受严酷刑罚。此次英勇举动感动了所有劳工，民族意识由此萌芽，众人决定紧密团结。
为筹备暴动，萧汉生等人成立了名为“唐山”的五人秘密组织。他们在劳动过程中暗中收集炸药。为建立外部联系以配合暴动计划，众人设法协助一名朝鲜族男子李继成（贾宏饰）成功逃离劳工营，并指示其积极准备接应工作。
日本当局向劳工营派遣了一名女军医宫崎美惠子(武藤美幸 饰)（武藤美幸饰）。宫崎与冈田曾为恋人关系。冈田接到军方高层命令，要求工程结束后将所有战俘与劳工全部枪决。萧汉生等人在坑道秘密集会时，长期暗中观察他们的刘家正被日军抓获。刘家正以普通中国人的英勇气概与日军搏斗，最终遭残酷杀害。
身患重病、体质虚弱的周尚文以棋局为赌约，迫使冈田释放被关押战俘，却不幸昏厥。他内心明了自身时日无多。偶然间，萧汉生发现闪红石（彭心宜 饰）实为女性。在这残酷且充满饥饿男性的劳工营中，他默默给予保护。两人之间逐渐萌生情感，彼此约定若能活着回到中国，闪红石将成为萧汉生迎娶的新娘。
逃脱在外的李继成得到一名叫顺姬（宋天仪饰）的朝鲜姑娘援助，于其家中养伤。他为接应劳工营逃亡进行最后准备，不料被日本士兵发现，惨死于刺刀之下。
工程临近尾声时，劳工营中爆发了殊死暴动。暴动过程中，战俘与劳工英勇抵抗，边战边退，满怀希望奔向停泊海边接应的渔船。然而抵达海岸时，渔船上竟冲出全副武装的日本士兵，激烈枪声过后，海滩被鲜血染红，战俘与劳工的遗体遍布滩涂。萧汉生冲上悬崖，身染鲜血毅然跃入大海。
二零零二年的北京，从事纪录片拍摄工作的日本姑娘青山小百合(小山田小百合 饰)（小山田小百合饰）偶然结识萧汉生的孙子萧忆(阿部力 饰)（阿部力 饰）。在一次对中国老人的采访中，小百合听闻萧汉生讲述仓津岛发生的真实往事，产生浓厚兴趣。为完成病重萧汉生的心愿，萧忆与小百合决定前往日本寻找已被历史掩埋的证据。
在日本，凭借有限线索，萧忆与小百合于仓津岛找到李继成与顺姬之子山岛成（石田哲也饰），但其对父母往事闭口不谈。同时，两人发现了当年日本学生兵中村及其女儿为中国劳工设立的纪念碑。获得此线索令二人倍感振奋，彼此好感亦随之增长。
小百合的祖父得知他们正在调查仓津岛事件，要求小百合的哥哥洋平劝阻二人停止追查过往。洋平身为竞选议员的政治家，顾虑此事可能影响其政治生涯，开始阻挠小百合与萧忆寻找证据。中村已离世，萧忆与小百合找到其女儿雅代（北河多香子饰）。雅代告知池田仍在人世。但当萧忆寻访池田（远藤刚饰）时，对方对往事绝口不提，使二人深切体会到从已被封印的战争历史中探寻事实何等艰难。
通过电视新闻报道，萧忆与小百合发现了山花（松野健一饰）的行踪。洋平为阻止二人调查，强行带走小百合并将其拘禁于祖父冈田家中。遭兄长禁锢的小百合深切思念萧忆，设法逃出后找到对方，两人紧紧相拥聆听彼此心声。
池田被萧忆与小百合的正义感所触动，恳请仍在世的宫崎美惠子（弓惠子饰）共同公开当年仓津岛事件真相。未料此愿未及实现便离世。受良心谴责的宫崎致信萧汉生，对其长期耿耿于怀的问题作出解答。小百合的祖父交出《执勤日记》并向小百合陈述事情原委。得知真相的小百合难以面对萧忆。
手持《执勤日记》的萧忆踏上归国旅程。轮船离港之际，萧忆忽然望见漫天缤纷气球与挥手告别的小百合。信封上标注“中国、北京、萧汉生收”字样的信件最终由邮递员送至萧汉生家的四合院。而此时萧汉生已长眠地下。
灯火璀璨的北京长安街头，青山小百合重现欢颜，身旁陪伴着同样快乐而自信的男孩，那正是萧忆。历史的尘埃并未掩埋所有记忆，两代人的追寻与和解在时光长河中悄然延续，那些深埋于仓津岛的悲壮往事，通过《执勤日记》的墨迹与跨越重洋的信件，终得以在新时代的阳光下呈现其本来轮廓。不同国籍的年轻一代，以各自的方式承接了历史的重负，又在相互理解中寻得前行的力量。这段交织着血泪与抗争、隐瞒与追寻的往事，不仅是个体命运的记录，更成为映照战争伤痕、呼唤和平永续的永恒镜鉴。