1937年12月13日，时为国民政府首都的南京城沦陷，部分官员弃城逃亡，但仍有许多官兵留守，誓死保卫这个大厦将倾的城池。
　　宋锡濂部军官陆剑雄（刘烨 饰）协同战友与日军展开了激烈的巷战，他们微弱而顽强的抵抗最终被压制，数以万计的中国军民成为俘虏，在枪炮声中血染长江；金陵女子学院安全区，女教师姜淑云（高圆圆 饰）奔波往复，尽力帮助和拯救所有来此避难的同胞，但兽性大发的日军早已虎视眈眈盯上了藏身于此的妇女；拉贝的秘书唐先生（范伟 饰）小心应付，委曲求全，为了保护家人而做出错误的选择，他也为此付出代价；舞女小江（江一燕 饰）纵使逃亡避难也不愿抛却女性的柔媚，她在关键时刻的选择则在其女性的外壳下注入一份刚强；日本人角川（中泉英雄 饰）随部队进驻这个千疮百孔、破败不堪的城池，在这个人间炼狱，他的心灵感受到前所未有的巨大冲击。
　　狼烟滚滚，血流成河，大时代的背景下，人们既要承受时代的无情给予，也要做出攸关命运的痛苦抉择……

对一个人追根溯源并不容易，因为对真实的解读总是存在误差。但过程的记录却充满力量，因为它揭示了某种真相，现实的真相和心里的真相。
　　四年，影像、文字、采访……与陆川和《南京！南京！》相关的记录已堆积如山，各种向度、各种气质，庞杂而粗糙，因为事实的本来面目就是庞杂而粗糙的。
　　电影《南京！南京！》从最初筹备到最后完成共历时四年，这对于导演陆川来说无异于一次长征。在陆川的印象中，这征途从未顺畅过，波折与困难重重是常态，血淋淋的残酷则是它最好的注解。
　　征程始于《可可西里》，在海拔高达4600米的高原荒漠上，陆川默默在心里筹划着“南京南京”的蓝图，那时他只是刚拍第二部电影的年轻导演。2006年，陆川开始为电影筹备，这个在许多人看来是天方夜谭的任务在很长一段时间中没有得到任何投资者的支持。建川博物馆馆长樊建川被陆川的执着精神打动，以个人名义借给后者一百万，当时手写的欠条被陆川嵌在相框里，一直保存着。
　　这一百万给了陆川一剂强心针，却不能堵住剧组长期筹备的开销缺口，投资者的介入显得迫在眉睫。与此同时，电影的立项遇到了很大的困难，基本是石沉大海。陆川给自己定了规矩，在外面找钱也好，立项也好，无论遇到什么问题，回到剧组不能让大家看出来，必须假装高兴，他都做到了。但是18个月的筹备，几乎所有人都开始失去信心，铁打的营盘流水的兵，剧组人员走了一拨，来了一拨，又走了。陆川让美术组写了“死磕”两个大字，贴在剧组里面，他发誓一定要跟这电影死磕到底。
　　立项终于批下来了，星美影业、中影集团等投资方的相继加入使得电影起死回生，可就在一切看上去很美的时候，长春外景地变成了一个巨大的黑洞。
　　电影开机第十天，某网站就刊登了剧本……
　　电影开机第十一天，长春外景地发来最后通牒说要全面停工，电影可能遭受灭顶之灾……
　　剧组原计划十九号转场，但因为外景地不具备拍摄条件，只能被迫停留在天津……
　　所有的一切都在昭示着“前面的路依然艰辛漫长，并且布满不可预料的危险”，陆川心力交瘁，他形容自己像关在笼子里的老鼠。
　　问题并没有解决，原计划在天津的几天拍摄变成了5个月。上千群众演员的调度、废弃化工厂的毒气、报废轮胎燃烧时的黑烟，还有无尽的嘶吼、枪杀、刺刀和眼泪，每一个人都感到筋疲力尽。陆川更是如此，他要面对所有人，还有未知的危险。春节期间，剧组遭遇了可怕的停机，四十多天，外界疯传这部电影完了，后来虽然奇迹般地起死回生，但随时都可能会搁浅的隐忧在一点一点蚕食着信心。阑尾炎、胃溃疡，陆川的身体开始不断地亮红灯。“南京”的体量和难度都远远超出了他的想象，他原以为这是一个十层楼高的事情，但当云雾散开的时候发现它直插云霄。
　　陆川最喜欢看《毛泽东传》里讲长征的部分，戏拍到这个份上，他觉得特别像一次长征。他不仅要带领队伍走出草地，还要为他们找到归宿。他不仅要为这支队伍找到归宿，还要为队伍中的每一个人找到归宿。
　　在绝望的情绪如影随形的日子里，支撑他走完的只剩下本能，活着的本能，活着走出死亡之城的本能。

故事开始于沪都大学303宿舍内，个性大大咧咧无畏惧他人眼光的林向宇（陈晓 饰），虽然身为海归富二代但心中只惦记着自己的宠物羊驼的李大鹏（杜天皓 饰），身强体壮但心思细腻温柔的谢训（李现 饰），拥有高超智商但缺少女人缘的学霸管超（刘芮麟 饰），这四位来自天南地北的大男孩们相聚在此，成为了朝夕相处的室友，拉开了有笑有泪的大学生活的序幕。
　　短暂的四年一晃眼就要过去，站在人生的十字路口前，四人会做出怎样的选择？林向宇是否能够追求到他一直心系的“丝帕女生”？谢川和女友高宝镜（蓝盈莹 饰）之间的感情又会迎来怎样的结局呢？

电影由四个独立的小故事组成。
　　《误会》：陈局长（杨立新饰）、孙医生（徐峥饰）和孙大头（刘仪伟饰）本来是三个生活没有交集的陌生人，却因为阴差阳错在机场错拿了对方手机，而发生了接下来的混乱场面：陈局长本想与女网友搞一夜情，这个机会却葬送在了孙大头手中。而他却发现孙医生的病人正是自己的妻子，原来妻子眼中的婚姻早已千疮百孔。而孙医生，则陷入了黑帮漩涡当中。
　　《生之欢歌》：宁灿（范冰冰饰）是个女歌手，由一直喜欢着她的岳为（王学兵饰）帮她写歌。然而，一场绝症袭来，让宁灿选择了默默离开。岳为知道了女友的死讯，为之颓废消沉，却意外收到了宁灿的短信回复。让人错愕惊叹的故事由此展开。
　　《山区》：村里人都觉得老三（葛优饰）是个吊儿郎当的人。这天老三得到了一部画家（孙周饰）留下的手机，然而贫困落后的村里并不能让他顺利地享用到这个现代工具。他开始为这台手机四处奔忙，命运也随之发生了意想不到的转折。
　　《山难》：奸商滕少延（邱心志饰）平日品行败坏道德低劣，在山难的生死边缘上，他打电话给自己的亲朋求助，却发现再没有人愿意相信他了，能否逃过死神掌心，对以往的恶行又该如何忏悔，此刻在他心中百感交集。