Идёт Великая Отечественная война. Ноябрь 1941 года. Войска вермахтаприближаются к Москве. Николай Ивушкин, только окончивший ускоренные курсы младших лейтенантов с отличием, прибывает на фронт в действующую армию в район подмосковной деревни Нефёдовка. По дороге он едва спасается, чуть не став мишенью для немецкого танка. В расположении части ему приказывают принять командование единственным уцелевшим танком Т-34-76, так как среди уцелевших из батальона остался один танк и несколько солдат. Вскоре к деревне прибывает подразделение немецкого гауптманаКлауса Ягера из 11-й танковой дивизиивермахта. 27 ноября происходит бой, во время которого Ивушкин и его экипаж уничтожают всю танковую роту Ягера (в ряде случаев — одним снарядом по два танка сразу). И только сам Клаус Ягер остаётся один на один с экипажем Ивушкина. После нескольких минут боя Ивушкин и Ягер синхронно подбивают машины друг другу. Помимо Ягера выжить удаётся только Ивушкину и механику-водителю Степану Василёнку, которые, будучи ранеными, попадают в плен.
Лето 1944-го года. Ивушкина и других пленных доставили в Тюрингию в концентрационный лагерь SIII. Николай, который уже семь раз сбегал, содержится в специальном блоке, где его пытают, пытаясь узнать его имя и звание. Ягер, дослужившийся до звания штандартенфюрера СС, встречается с рейхсфюрером СС Гиммлером и предлагает ему свою новую стратегию обучения курсантов на «живых» мишенях — подвижных советских танках, укомплектованных экипажами из числа военнопленных. Получив в распоряжение полигон и разрешение действовать, Клаус направляется в лагерь SIII. В картотеке пленных он обнаруживает своего бывшего противника. Ягер вызывает Николая на допрос. Угрожая смертью остарбайтер-переводчице Ане Ярцевой, немецкий офицер заставляет Ивушкина принять предложение стать командиром танка, который без снарядов выйдет на полигон и попадёт под обстрел «Пантер», укомплектованных немецкими курсантами. Жизнь экипажа будет зависеть лишь от его мастерства, и если он выживет, то продолжит участвовать в таких тренировках.
Ивушкин набирает себе команду, в которой оказываются Волчок, Василёнок и Ионов. В их распоряжение поступает захваченный и привезённый с фронта новейший советский танк Т-34-85. Во время осмотра танка герои находят в нём трупы экипажа и шесть чудом неповреждённых боевых снарядов. Ивушкин просит разрешения захоронить экипаж танка и прячет снаряды в могиле. У Ивушкина возникает план: бежать с полигона во время тренировки, чтобы добраться до границы оккупированной Чехословакии (Протекторат Богемии и Моравии), до которой ехать 300 километров. После ремонта танк демонстрируют немецкому командованию, восхищённый мастерством экипажа Ягер распоряжается заминировать окрестности вокруг лагеря.
Аня сообщает Николаю о минах и готова бежать вместе с Ивушкиным. Украв карту из кабинета штандартенфюрера, она покинула лагерь. На полигон Ягера для испытаний прибывает ряд должностных лиц командования Германии. Экипаж Т-34-85 создаёт дымовую завесу и подбивает одну из «Пантер» 12-й танковой дивизии СС «Гитлерюгенд», стреляет осколочным снарядом по командному пункту наблюдения (при этом Ягеру и нескольким офицерам удаётся спастись). Немцы при помощи пулемётов и противопехотных гранат тщетно пытаются остановить «тридцатьчетвёрку», а Ягер стреляет по нему из пистолета. Т-34-85 вырывается за пределы полигона через главные ворота. По пути, в условленном месте Ивушкин подбирает Аню.
Боевая машина движется к границе протектората Богемии и Моравии, по пути запасаясь припасами, топливом и оружием. Ягер преследует их с группой танков. Дороги перекрыты противотанковыми орудиями, экипажу Ивушкина удаётся избегать ловушек. Далее, после привала, Ивушкин отправляет Аню к чешской границе пешком, а экипаж Ивушкина готовится вступить в бой. Добравшись до эвакуированного города, они сталкиваются с пятью танками типа «Пантера» во главе с Ягером. Беглецы расправляются с четырьмя из них: первого подбивают маловероятным рикошетом о брусчатку в нижнюю часть танка; со вторым разобрался Волчок, который уничтожил его экипаж и захватил танк, но оказывается раненым, третьего — снайперским попаданием под башню и четвёртого в последний момент уничтожает Волчок, тем самым отвлёк на себя Ягера, и тот добивает захваченный танк.
После безрезультатной стрельбы «тридцатьчетвёрки» и последней «Пантеры» (снаряды столкнулись друг с другом, изменив вектор полёта, а снаряд от Т-34-85 ломает «Пантере» прибор ночного видения) Ягер вылезает из танка и бросает перчатку, что означает предложение дуэли. Два танка вступают в дуэль на мосту. Пока Ионов читает «Отче наш», экипажу Ивушкина чудом удаётся избежать серьёзных попаданий (повреждена левая гусеница и командирская башенка) и метко попасть ответным выстрелом точно в смотровую щель танка Ягера, после чего идёт на таран. Танк Ягера беспомощно повисает на краю моста. Пожав руку Ивушкину, Клаус Ягер падает вниз вместе со своим танком. После этого боя Ивушкин приказывает экипажу затопить Т-34-85, чтобы он не попал к врагу.
Фильм заканчивается тем, что Ивушкин и его команда находят Аню на лугу, и все они направляются к чешской границе пешком. Во время заключительных титров показывается, как сложилась послевоенная мирная жизнь каждого из героев.
