夏季，边区保安处特务队在护送中央首长(周恩来)去西安谈判的路途中，卡车突遭土匪袭击，众多战士牺牲，首长险遭不测。这一突发事件，让中央情报部负责人李木即愤怒又震惊，责令边区保安处处长周劲限期破案。周劲自觉无地自容，这个从长征走过来的汉子发誓要把背后的敌特分子[1]挖出来，否则自己就打起背包养猪去。　　这次袭击的策划者是反共救国军陕西地下工作站特务陈纪元。此人出身豪门，英俊聪慧，胆识过人，可惜走错了路，是汪精卫的忠实信徒。虽然袭击并未伤及中共首长，陈纪元仍按承诺给担当这次袭击任务的当地哥老会大爷李青五升职发饷，李青五自是眉开眼笑。　　周劲和副处长王彬带着侦察员在城区化装侦察，很快弄清了隐藏在城区的坐探，正是此人扮装成卖烤红薯的小贩探得保安处可能要护送中央首长的迹象。周劲决定引蛇出洞，一举歼灭那股土匪！此时，一位叫晏西的女战士受李木之命前来保安处报道，一向轻视女性的周劲大为恼火，嚷嚷着退人，晏西一气之下真走了。周劲被李木找去骂了一通，在知道晏西是学无线电的大学生后，周劲勉强认错接回晏西，分配晏西负责监听电台，晏西笑而服从。　　与周劲相反，保安处从来都是清一色的男性，晏西这个漂亮女大学生的出现，自然在整个保安处泛起一阵涟漪，附近小卖部的牙粉被抢购一空，饭前报数、唱歌声音异常宏亮，弄得周劲直表扬大家的精神面貌。　　反共救国军陕西地下工作站站长毛绪言来到陈纪元所在的甘泉督战。毛绪言对陈纪元十分信任和赏识，两人不仅是师生关系，更是密友。当毛绪言看到陈纪元正在认真学习马列著作，尤其还能流利背诵《共产党宣言》并能深刻加以阐释时，更是多了几分佩服。陈纪元说他做这一切，是为了有朝一日潜入延安。毛绪言大喜，这正与他带来的一个计划相符：派人潜入延安刺杀中共最高领导人(毛泽东)！　　毛绪言本没打算让这位爱将去执行这个几乎不可能完成的任务，但最终还是被陈纪元的决心所打动，并从中看到了成功的希望。正好此时从另一渠道传来保安处准备“引蛇出洞，歼灭土匪”的情报，毛、陈决定将计就计，以牺牲李青五的土匪部队作掩护，麻痹保安处，掩护陈纪元入延安。　　在晏西的坚决要求下，也为了让晏西相信战争的可怕，周劲特派警卫员李满屯全程保护晏西参加剿匪战斗。岂料战斗中晏西不仅毫无畏惧，竟然还是神枪手，在关键时刻将李满屯从敌人枪口下救出，令保安处的男士们大为惊讶，周劲更是难以置信。王彬却看出了某种端倪，他提醒周劲，此女子不像是上级派来当电台监听员的。果然，战斗结束后，晏西的正式任命也下来了——保安处副处长，王彬则调往敌占区工作。　　周劲傻了。尽管这时周劲知道晏西这个南京中央大学的无线电高材生，不仅有着丰富的地下工作经验，而且因为外籍教师的缘故，也对密码等特工知识有所研究，仍对上级给他安排一个女性搭档非常抵触。晏西对此则毫不介意，工作、学习、打扮、浪漫，一样都不少，弄得周劲时常看着晏西皱眉头，而保安处的其他同志却很是高兴。　　在陈纪元筹备潜入延安之时，另一对日本间谍孔凡、肖英夫妇却已来到延安。孔、肖二人原是苏联红军情报组特工人员，在苏联接受完训练，被派到日占区沈阳工作，为苏联红军收集情报，同时也与中共保持联系。不久两人被日军抓获，日军以让肖英充当慰安妇相威胁，迫使孔凡叛变。之后，两人以到延安向中央汇报工作为由来到延安收集情报。由于是同行，自然由保安处接待。　　周劲与孔凡曾在一个短训班里呆过，一见如故，时常聊天。当夫妇两行程已到，得知肖英怀孕时，周劲主动替其向上级请示让俩人继续留在延安生孩子。这期间，孔凡一直通过在《解放日报》上发表诗稿的方式与日军联系并传递情报。　　晏西对孔凡的起疑缘于孔凡两首被《解放日报》退回到保安处的诗稿，这种不太符合特工职业的爱好让晏西对孔凡的诗作产生了兴趣。晏西找来孔凡曾在《解放日报》上发表的所有诗作，发现这些诗稿中竟然有某种特工常用的文字密码迹象。周劲虽对这种文字游戏不太相信，仍同意对孔、肖二人进行进一步调查。侦察员李然一见晏西就心生爱意，只是不敢表露，这时主动请缨调查孔、肖。　　其实肖英一直不赞成孔凡的叛变行为，但又说服不了丈夫，同时也深知当叛徒的下场，只好希望生完孩子后赶快离开延安，早日结束这种灵魂被煎熬的日子。此时，日军从报上得知孔凡夫妇已打入延安，便加紧了特种部队的训练，准备伺机里应外合，实施派特种部队进入延安刺杀中共最高领导人的行动……

1947年,蒋介石匪军为了挽回其垂死命运,倾巢出动,大举进攻我陕甘宁解放区.我军在毛泽东战略思想的指导下,为了诱敌深入,集中优势兵力,消灭敌人有生力量,主动撤离了延安.胡宗南军队占领延安后,兴高采烈.不久,他们发现原来这不是什么胜利,而是挤进了我军为他们设置的一条死胡同.这时,敌人除了在正面战场上节节失利以外,还在他们认为的"后方"延安,也遭到了致命的打击

电影《窑洞小学》旨在推广和弘扬延安精神的精义，唤起人们对党对我们成千上万的先烈们鲜血浇铸的红色江山热爱之情，对构建和谐社会和推动社会全面建设起到积极的意义。延安，新中国建立举足轻重的圣地，知青，新中国发展过程中一抹刻骨铭心的云彩。将此两者巧妙融合的《窑洞小学》，必将成为被广大观众铭记的经典。

影片以1973年6月身患重症的周恩来总理，在特殊历史时期下肩负历史使命和老一辈革命家对老区人民的情怀回到圣地延安的历史事件为叙事中心，电影通过周恩来总理独有的视角回顾了中国革命在延安时期13年的重大历史事件，以四个时空表现了周恩来总理在延安的所见所闻、所思所感展示了中国共产党人不忘初心、砥砺前行的崇高责任感。

1938年，正在日军铁蹄践踏下的北平，发生了一起震撼学界的大事件。日伪当局为镇压学生运动，逮捕了学生会宣传员苏贞(殷桃饰)。暗恋苏贞的北平日清商社董事彭祖康之子彭登科(邓超饰)，不惜冒着生命危险，利用世交的关系，救出了苏贞。自此开始，彭登科和苏贞跨越一生的爱情纠葛拉开帷幕。

1947年初，蒋介石调集精兵强将，重点进攻我山东和陕甘宁解放区。敌众我寡，形势严峻，党中央决定放弃延安，转战陕北，在运动战中消灭胡匪。大敌当前，彭德怀主动请缨，挑起重任。　　接到军委急电，二纵立刻西渡黄河奔赴陕北。周大勇率领的独立营群情激昂，誓死捍卫延安。　　大战在即，总部医院护士谢芳苓负责的伤员，总部参谋王成德偷跑了，谢芳苓寻迹追赶。　　黄河渡口。王成德被分配到独立营当教导员。三人相遇。累倒的谢芳苓被一辆马车拉回到甘谷驿。　　春寒料峭的青化砭埋伏了我军的主力部队。眼看敌31旅搜索队向我军阵地走来。给谢芳苓带路的李大爷和孙子拴牛毅然引开了敌人。遭伏击的敌人恼羞成怒，开枪打死了拴牛，把李大爷踹下悬崖。谢芳苓决定留在陕北。延安保育院情况紧急，独立营奉命去解救。交战中，一个孩子遗落在敌我双方阵地间，谢芳苓冒着生命危险冲上去营救。她的勇敢赢得了战士们的尊敬。

该片主要讲述了吴印咸和徐肖冰创立的延安电影团的历史事迹。徐肖冰是摄影方面的罕见全才，其拍摄的《马路天使》、《开国大典》被誉为电影界“经典中的经典”，堪称影坛巨子。八一制片厂把延安电影团种种事迹亮相荧幕，向观众展现战争期间电影人士开展电影事业的光辉历程。

1945年，延安的孩子们面对着战火的洗礼，生离死别的考验，但他们仍然能够保持淳朴可爱的天性，有一种从寻常生活中捡拾点滴快乐的本领。在大人们尽力维护的一片童真天地里，孩子们在自由地感受，自在地成长。