病床上，84岁的离休老干部林玉红弥留之际，念念不忘回到她魂牵梦萦的大漠古城。
为完成林妈妈遗愿，养女林水莲通过网络集结了四名具有考古、医疗救助、野外生存等专长的都市志愿者，一同奔赴西北茫茫大漠。
一路上，队员们历尽艰辛，挑战生命极限，克服了迷路、缺水、流沙等重重困难，终于找到古城，又奇遇守墓人马老汉。
通过林妈妈日记的线索和老村长讲述，他们了解到，战争时期我军后勤部队遭遇敌人偷袭，一队由机要员、文工团员、记者等女战士组成的小分队，携带密码和文件向敌人包围薄弱的戈壁沙漠绕道突围。在古城里，意外与敌人遭遇。为保卫密码和文件，她们与敌人展开了殊死的搏斗，最后只剩下负伤的机要员林玉红和一个被她从敌军官枪口下救出的哑巴小马倌。
小马倌为报救命之恩，帮助林玉红走出沙漠。分手时他们按当地习俗立下誓言，小马倌将留在古城守侯战士的英灵，等待林玉红归来。
古城深处，队员们寻找烈士遗迹的工作全面展开。面对一具具遗骨、一件件遗物，队员们仿佛看到了那些为中华民族解放事业英勇献身的一个个年轻女战士鲜活的生命，他们的心被深深震撼着，
此时，水、汽油将要用尽，沙暴袭来。在马老伯引导下，队员们不畏艰险，在沙漠中穿行。前进的路风沙弥漫，马老伯毅然下车手举信号灯为队员们引路，就在即将冲过风口时，马老伯不幸被流沙吞没。
数月后，队员们捐助的希望小学在柳泉堡建成。操场上，学生们举办升旗仪式。纪念碑前，摆放着队员们敬献的花圈，雄壮的国歌在柳泉堡上空回荡。
这些现代都市白领在冲出沙漠的同时，也飞越了心灵的荒漠……