1944年3月，一位部队首长在一支精悍小部队护送下，途经晋陕边界日寇封锁区去延安开会。为安全和缩短路程，他们才令一位农民向导刘存带领下决定穿过一条杳无人烟山谷。
护送部队战士仔细地检查着各自装备，避免弄出响动。首长则泰然自若地骑一头骡子上。刘存紧张地看着大敌当前战士，心疼自己骡子被他们捆得出不来声，他心中一阵害怕，只想早早完成这次任务牵着自己骡子回家。部队答应过给他一笔可观脚钱。排长安慰他不会出事，并特地叫一个单眼皮战士专门保护他。他不厌其烦地对排长说清明前后栽瓜种豆，牲口是自己养家老本，没这头骡子老婆孩子一年全没吃。他地上给他们画着走出这条山谷图形，想带着骡子趁机脱身回家。排长没搭理他，显然他没有让他走脱意思。他跑到那位“首长”面前想求情，被单眼皮一把拉回来。刘存发现自己完全被单眼皮战士“看管”起来。经过讨价，排长答应给他双份脚钱。看到排长身上干粮袋中装满大洋，刘存动了心。队伍无声地进入寂静峡谷。突如其来炮火证明部队已陷入日寇包围之中。混战中刘存被炮火震聋了耳朵。天边露白，刘存耳朵一片轰鸣，他为找回自己骡子，又去追赶着队伍。此时他对近在身边日寇毫无察觉。刘存骡子落入日寇骑兵手中，日寇骑兵发现骡子身上带着望远镜，得知这是共产党的一个大官。日寇发现刘存，并察觉到他听不到声音。悄悄跟他后面，企图找到护送部队。刘存找到藏在山洼里的队伍，兴奋得大喊，却将部队暴露给了跟踪而来的敌人。部队再次陷入困境，前进中的队伍突然被日寇重重包围。四面山头全布满了日本兵。
排长认为是他故意将敌人引来，要枪毙刘存。刘存听不到战士们说话的声音，还不知自己怎么就闯下了滔天大祸——顶着排长的枪口阴错阳差地对话，问自己骡子的下落，要着脚钱。
护送部队死死被敌人缠住。混战中，刘存悄悄牵着自己的骡子溜走。排长带着少数几个人保护着首长却陷入了迷宫一样的山谷。刘存利用自己熟悉地形的优势，巧妙地躲过追来的排长。
日寇再次发现独行的刘存，暗中阻拦，逼着他回到部队去，妄想继续跟踪上护送的首长。追踪而来的排长发现了这一险情，抓回刘存。
在与敌人的厮杀中，刘存、排长和首长三个人落在一起。排长要打死他这个“叛徒”——可是护送部队在迷宫一样的山沟沟，一时找不到出口。他要捆起刘存，逼他带着首长走出危险区。什么都听不见的刘存此时也感到事态的危险。为保护首长安全走出危险区，刘存不得不先将误会了他的排长捆了起来。护送部队的战士远远看见捆起排长的刘存，一边应付着合围过来的日寇，一边追着开枪打他。刘存在一片弹雨中带着首长，架着排长暂时脱开险地。
护送部队全体战士抵抗着日寇的追击。一个小日本兵在后边紧紧咬住刘存，一枪一枪地追着打。那个单眼皮小战士也追在后边一枪一枪地追着打他。排长为了掩护刘存，被追击来的日本兵射来的子弹打穿了喉咙。角逐中，单眼皮被日本兵开枪打死。那头骡子被打掉一只耳朵后惊跑之后，刘存急了。
刘存将首长和捆起来的排长藏在一个山洼里。他死死地盯着排长身上的枪、手榴弹和那装满大洋的干粮袋。他走上前去……首长冷静地按住了想拼命挣扎的排长。刘存上前只夺走了排长身上的枪和手榴弹，这使排长很诧异。
刘存回来四下寻找那个日本兵。留在后边做掩护的队伍都打红了眼，发现了刘存，追上来开枪打他。混战中，他无法解释，只好拼命躲避。终于——他追上那个打死单眼皮的那个日本兵。那个日本兵发现他不会使枪，掉过头来追着他打。刘存推倒一块摇摇欲坠的土崖，将他活埋在厚厚的黄土底下。?
刘存一人带着首长，扛着不能说话的排长终于走出了迷宫一样的山谷。接应部队带走了首长和重伤的排长。临分手前，首长摘下排长身上那满满一袋大洋全给了刘存，叮嘱道：“再买头骡子吧，早点回家。别误了清明前后，栽瓜种豆。”首长说什么话他全没听见，只是手中的钱袋显得很沉重。
回来的路上，死一样寂静的山谷，刘存的耳朵忽然听见了声音，他听到了骡子的呻吟声，他听到了口袋里大洋的响声。他终于找到了自己的那头受伤的大骡子。刘存看着归途上的斑斑血迹，心里很惭愧。他决定找到那些还没走出山谷的护送部队的战士。
护送部队的战士全部被俘，日寇挖了一个坑，要将他们活埋。伤痕累累的战士们面对死亡无惧，一个个默默诉说着自己的籍贯和入党时间，从容地滚进坑内。此时，刘存回来，也跳入坑里——战士们用诧异的眼光看着他。刘存一笑，道：我也是共产党员!
那位首长行程一年，终于于1945年初到达延安。
1945年4月23日，中国共产党第七次代表大会在延安召开。
1945年8月11日，毛泽东主席、朱德总司令签署命令，号召共产党领导的军队对日军全线反攻。
1945年8月15日，日本宣布无条件投降。
影片看点：战争故事片《血性山谷》用纪实手法还原战争场面，使观众更加真切地感受到战争的残酷。整部影片未加任何特技处理。该片首次披露的“七大”代表前往延安开会这一鲜为人知、曲折惊险的故事也是该片的一大卖点。