1942年冬，日寇纠集大批兵力，对山东清河抗日根据地进行残酷的拉网式“大扫荡”。八路军山东清河军分区司令员马洪韬将所属部队化整为零，伺机突围。在一次遭遇战中，八路军俘虏了日籍女记者春子。由于受日本军国主义虚假宣传影响，春子一直认为日军侵华只是想建立大东亚共荣圈，是日中亲善行为。
八路军优待俘虏，医疗队的王琳医生悉心照顾春子。一名村妇听说抓到一个日本人，提了刀要来拼命，王琳竭力将她拦下。原来村妇的丈夫和孩子都死于日军屠刀之下，她因此对日本人恨之入骨。看着报仇不成、嚎啕大哭的村妇，春子仍不愿相信日军在华兽行，坚持眼见为实。
春子是围剿清河的日军将军吉野的侄女。春子被抓消息传来，日军指挥部大为震动。汉奸李银钱主动请缨，要冒充百姓潜入根据地救人。吉野给他十天时间，若能成功可得赏金两根金条。
虽然明知可能有奸细混在逃难的百姓当中，八路军为不委屈百姓，还是让他们在根据地自由出入，李银钱正好钻了空子。他找到春子，正准备带她逃走，王琳回来了。春子借口出门散步吸引王琳注意，李银钱和同伙趁机逃走。
尽管没有救回春子，但是李银钱找到春子下落，更重要的是，他误打误撞，发现了八路军指挥部是在王文庄。吉野依约定赏赐他两根金条，李银钱满心欢喜收下。
日军兵力数倍于八路，为了突围，马洪韬制定“麻雀战”战术，就是通过不断骚扰鬼子，让他们放松警惕，进而突围成功。担任骚扰任务的是骁勇善战的连长郭长舟，他几次出击均全身而退，还活捉了一个日本兵。可惜审讯过程中，日本兵咬舌自尽。
郭长舟喜欢王琳，两人你有情我有意，但大敌当前，谁都没有说破。王琳有一块日本糖，她没舍得吃，留给郭长舟。郭长舟收下，深情地说，等突围成功，两个人分着吃。
日子一天天过去，在敌人的围困下，根据地粮食补给日益匮乏。马洪韬决定兵分三路，强行突围。王琳和春子随伤病员及医疗队撤退，走出没多远被日军发现，激烈的战斗中，王琳为保护春子牺牲。
郭长舟听闻噩耗，悲痛欲狂，冲动之下要杀春子报仇。众人将他拦下，马洪韬对他当头棒喝，他才猛醒。与此同时，汉奸李银钱带几个日本兵乔装潜入村子，寻找春子。他们找到村妇，逼问春子下落。村妇宁死不屈，几个人竟然丧心病狂奸杀了她。郭长舟偶然经过，被日本兵袭击，经过一番恶斗，日本兵被打死。外出归来的春子回来看到这一幕，终于醒悟所谓日中亲善是一个彻头彻尾的谎言，她强忍悲痛，举起手中的相机记录下这地狱般的场景。
清河一役，郭长舟率领的警卫连80余人全部牺牲，歼灭日军400余人，马洪韬司令和董政委等顺利突围，和兄弟部队会合，随后消灭了吉野部队主力。不久，春子回到日本，在报纸上发表了她在清河的所见所闻……
《血色清河》以抗战时期一次围剿和反围剿战役为背景，揭露了日军侵华的累累罪行，同时歌颂了八路军以弱战强的勇气，以及善待妇孺的美好人性。和多数战争片不同，《血色清河》特别设置了一个日本女记者的角色，影片因此额外多出一个特殊视角，通过这个视角，日本军国主义的虚伪和凶残得到了有力揭露。
