1944年，我國東北一個孤獨的鐵路小站上只有三個人，站長和他的妻子，還有一個扳道工人大崔。他們被迫為日本人工作。一天，火車送來了一個負傷的日本上尉浩太郎和他的小馬夫、中國孤兒大頭辮。不知什么原因，這個日本軍官酷愛種植向日葵，他在小站周圍種下了滿山的向日葵，精心培育、侍弄著。為了顯示他是日本英雄，他強迫強健的大崔與他比武，大崔在站長的暗示下故意輸給浩太郎，被他發覺，浩太郎認為受了屈辱，開槍打傷了大崔。大崔發誓要親手殺死這個日本人。小馬夫的辮子不小心碰掉了浩太郎的樂器，浩太郎剪掉了他那代表家庭血骨的辮子，仇恨使小馬夫憤怒，在為浩太郎洗澡時企圖用開水燙死他。在一個葵花盛開的日子，浩太郎發瘋似的用刀亂砍葵花，站長妻子碰巧看到，上前勸說，卻險遭強暴，她拼命掙扎才逃脫，老實本分的站長被激怒了，他拿起菜刀奔向鬼子的住處……秋天，站上惟一的日本軍人死在浴盆里，日本憲兵隊派人來調查死因。在審訊過程中，查明是由于他渴望和平安靜的生活，對現實絕望而自殺。為遮掩不光彩的事實，憲兵隊嚴刑拷打、恐嚇、逼供、引誘這四個中國人招認殺人，將他們推到了死亡的邊緣。直到半個世紀后，審訊過這四個人的憲兵隊長為自己在中國犯下的罪行懺悔。