Сюжет закручивается в начале Великой Отечественной войны, когда нацисты приближались к Москве. В это время танкист Красной армии Николай Ивушкин (Александр Петров) с отличием прошел ускоренные курсы младших лейтенантов. Он прибывает на фронт в действующую армию, где получает приказ принять командование единственным уцелевшим советским танком Т-34-76.
Вскоре к деревне Нефедовке прибывает подразделение гауптмана Клауса Ягера (Винценц Кифер), и завязывается бой. Ивушкин и его экипаж уничтожают всю танковую роту Ягера, и в конце сражения противники остаются один на один. Они подбивают машины друг друга, выжить удается только Ягеру, Ивушкину и механику-водителю Степану Василёнку (Виктор Добронравов). Двое последних попадают в плен.
Теперь перед ними стоит задача любыми способами покинуть концлагерь и победить Ягера на поле боя.
Дальнейшее описание событий разворачивается в 1944 году. Ивушкина и других пленных перевозят в очередной лагерь, а так как Николай несколько раз сбегал и его возвращали, танкиста помещают в отдельную камеру.
Ягер за эти годы сумел дослужиться до звания штандартенфюрера СС. Он встречается с рейхсфюрером Гиммлером (Робинсон Райхель) и предлагает ему новую стратегию обучения немецких курсантов. Ее суть заключается в проверке уязвимостей советских танков, используя в качестве танкистов военнопленных.
Он получает полигон для испытаний и отправляется в концлагерь для поиска командира танковой бригады, которая без снарядов выйдет на поле и попадет под обстрел немецких «Пантер». Среди анкет он видит фото Николая Ивушкина и вспоминает, что три года назад уже сталкивался с ним. Ягер был впечатлен способностями парня, поэтому решил сделать его командиром.
Клаус объясняет Ивушкину смысл затеи и после его отказа угрожает, что пристрелит пленную переводчицу Аню (Ирина Старшенбаум), поэтому Николай соглашается на предложение нациста. В свою команду он берет Василёнка, наводчика Волчка (Антон Богданов) и заряжающего Ионова (Юрий Борисов). Им в распоряжение попадает новейший танк Т-34-85, только что привезенный с поля боя.
Ягер требует, чтобы Ивушкин с командой очистили машину от трупов, и те обнаруживают внутри чудом неразорвавшиеся снаряды. Экипаж решает припрятать их, так как у них давно созрел план: починить танк и сбежать прямо с полигона. Нацисты приставили к Николаю переводчицу Аню, но та не выдает их секрета, так как хочет сбежать вместе с экипажем. Кроме того, между ней и Ивушкиным вспыхивает роман.
Фильм «Т-34» заканчивается тем, что главные герои сумели привести боевую машину в рабочее состояние. Ягер приказывает заминировать полигон, но об этом узнает Анна и рассказывает все Ивушкину. На следующий день на учения прибывает командование Третьего рейха, и тогда экипаж Т-34, разведя косты и пустив дым, вынимает снаряды и едва не убивает Ягера и его командиров. Ивушкин сбегает с поля, а по пути забирает Аню, как и обещал.
Экипаж танка направляется к границе с Чехословакией, по пути обзаводясь припасами, оружием и снарядами. Клаус бросился на поиски беглецов с армией «Пантер». Ивушкину удается избегать засад нацистов, но Ягер на самолете их выслеживает. Тогда Николай требует, чтобы Аня пошла через лес на восток, где ее будут ждать другие беглецы, а сам с экипажем едет наперерез танкам противника.
Завязывается бой, Волчок пытается отвлечь внимание и обездвиживает немецкий танк, но сам при этом теряет сознание. Ионов получает ранение. Перед ними остается только машина Ягера, как и тогда, в 1941-м. Происходит сражение Т-34 и «Пантеры» на мосту, экипажу Ивушкина удается подбить противника. Танк Клауса повисает над пропастью, Николай, планировавший добить нациста, вдруг решает его спасти. Он протягивает руку Ягеру, но то предпочел погибнуть вместе со своим танком.
Гусеница Т-34 повреждена, на нем уже нельзя ехать. Тогда экипаж Ивушкина решается идти пешком в поле, где их ждет Аня. Раненого Ионова несут на носилках. Фильм «Т-34» заканчивается тем, что демонстрируется мирная жизнь каждого из героев. В финале показывают, что Ионов служит в храме, Волчок бродит по лесу с ружьем, Василёнок работает на тракторе, у него есть жена и трое детей, а Ивушкин приводит Аню к родителям и просит благословения на брак.
