Великая Отечественная война . Ноябрь 1941 года. Войска вермахта приближаются к Москве . Николай Ивушкин, только окончивший ускоренные курсы младших лейтенантов с отличием, прибывает на фронт в действующую армию в район подмосковной деревни Нефёдовка; вместе с водителем полуторки , доставлявшем провизию, они едва спасаются, 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 гауптмана Клауса Ягера из 11-й танковой дивизии вермахта. 27 ноября происходит бой, во время которого Ивушкин и его экипаж уничтожают всю танковую роту Ягера, первым выстрелом из засады — одним снарядом два танка сразу. В конце боя экипаж Клауса Ягера остаётся один на один с экипажем Ивушкина. После нескольких минут боя Ивушкин и Ягер подбивают машины друг друга. Выжить удаётся только Ягеру, Ивушкину и механику-водителю Степану Василёнку, которые, будучи ранеными, попадают в плен .
Лето 1944 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 из числа узников лагеря, 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 приблизительно 300 километров пути.
После ремонта танк демонстрируют немецкому командованию, восхищённый мастерством экипажа Ягер распоряжается заминировать окрестности вокруг лагеря. Переводчица Анна 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 осколочно-фугасным 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, но также тщетно. Т-34 прорывается 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 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 рикошетом о брусчатку в нижнюю часть танка; со вторым разбирается Волчок, который уничтожил его экипаж и захватил танк, но получил при этом ранения, третьего обезвреживают снайперским попаданием под башню, а четвёртого в последний момент уничтожает Волчок, тем самым отвлекая Ягера на себя, 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 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 «тридцатьчетвёрка» идёт на таран. Танк Ягера беспомощно повисает на краю моста, Ивушкин подходит к машине и видит раненого Ягера. Пожав руку Ивушкину, показав таким образом уважение к победителю, немец падает вниз вместе со своим танком и погибает. После боя Ивушкин приказывает экипажу затопить Т-34, 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: 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 на свадьбу.