Начало Великой Отечественной войны. В начале фильма младший лейтенант Николай Ивушкин на небольшом грузовике вместе с водителем Васей отрываются от немецкого танка, едва выжив. Ивушкин прибывает в штаб, находящийся в деревне Нефёдовка где его назначают командиром единственного уцелевшего танка Т-34. Вскоре к месту прибывают танки немецкого гауптмана Клауса Ягера, но благодаря мастерству Николая его Т-34 уничтожает все танки, кроме Ягера. Тем не менее, у машины серьёзные повреждения, и Клаус уничтожает её. Выжить удаётся только Ивушкину и механику-водителю Степану Василёнку, однако их захватывают в плен. Ивушкина подстреливает раненый Клаус.
Проходит 3 года (1944 год). Ивушкина и других пленных доставляют в очередной лагерь. Николая, который уже несколько раз сбегал, избивают по прибытии и обливают холодной водой. Оберст Ягер встречается с генералом Гудерианом и предлагает ему свою новую стратегию: испытать уязвимость советских танков, используя в качестве танкистов военнопленных. Клаус получает полигон и разрешение действовать от вермахта. Ягер направляется в лагерь, где содержится Ивушкин, и делает ему своё предложение: Ивушкин должен стать командиром танковой бригады, которая без снарядов выедет на полигон и попадёт под обстрел немецких «Пантер», что поможет испытать уязвимость советских танков. Жизнь экипажа будет зависеть лишь от мастерства Николая, и если они выживут — он наберёт себе новую команду и продолжит участвовать в испытании. Ивушкин отказывается, но тогда Клаус собирается застрелить переводчицу Аню, и Ивушкин вынужден согласиться.
Ивушкин набирает себе команду, среди которых оказываются Волчок, Василёнок и Ионов. Им дают только что привезённый с фронта новейший танк Т-34-85, и первоначальным заданием экипажа становится очистка танка от трупов. Однако в танке герои находят боевые снаряды и хоронят их вместе с солдатами на полигоне, чтобы можно было воспользоваться ими через некоторое время. После этого Клаус даёт задание починить танк для показа его способностей. Ивушкин вместе с командой чинят его, однако у Ивушкина совсем другой план: во время испытания они ускользнут с полигона. После починки танк демонстрируют перед Ягером, и тот приказывает заминировать окрестности лагеря. Аня приходит к Николаю и говорит ему о минах, так как не хочет больше жить с немцами и хочет уехать с Ивушкиным. Она крадёт карту из кабинета оберста, после чего покидает лагерь. На полигон Ягера на испытание прибывает командование Третьего Рейха. Экипаж танка разжигает костёр и пускает дым, после чего достаёт из могил снаряды. Т-34 уничтожает одну из «Пантер», едва не убивает Ягера и командиров, после чего вырывается за пределы полигона. По пути Ивушкин подбирает Аню, как и обещал.
Экипаж Ивушкина едет к границе с Чехословакией, по пути заезжая в городок и запасаясь припасами, бензином и оружием. Ягер (которому дали указание найти беглецов) преследует их с армией «Пантер». Они устраивают засаду, но Ивушкин отводит с дороги в лес и скрывается там. Они продолжают двигаться через лес. Ягер на самолёте выслеживает их. Аня и Николай проводят ночь вместе. Немцы готовят засаду Ивушкину, и он отправляет Аню идти через лес на восток, где её встретят беглецы, а сам едет наперерез немцам. Экипаж добирается до заброшенного населённого пункта, где Т-34 поджидают «Пантеры». Волчок отвлекает внимание и обездвиживает немецкий танк, но теряет при этом сознание, Ионов получает ранение. Остаётся только машина Ягера. Волчок из немецкого танка собирается уничтожить Клауса, но тот предугадывает его действия и уничтожает танк. Двое танков вступают в «дуэль» на мосту. Экипажу Ивушкина удаётся повредить «Пантеру» и тот повисает на краю моста. Ивушкин щадит Клауса и собирается того спасти, но немец разжимает руку и падает вместе со своим танком. У Т-34 повреждена гусеница, и ехать на нём невозможно
Аня ждёт Николая в поле, и в этот момент появляется экипаж танка в полном составе (раненого Волчка понесли на носилках). Все они направляются к чешской границе пешком. Во время заключительных титров показывается, как сложилась послевоенная мирная жизнь каждого из героев: Ионов служит в храме и пишет иконы, Василёнок работает на тракторе, у него жена и трое детей, Волчок ходит по лесу с ружьем — возможно он стал егерем, Ивушкин приводит Анну к своим родителям и просит разрешения жениться