留学德国的谷正春惊闻故乡遭饥荒，灾民盗掘了自家的祖坟，匆匆带着金发碧眼的妻子爱玛赶回老家料理丧事。沿途目睹逃荒饥民哭声直上云霄的凄惨景象，令他极度震惊。谷家迁坟接待宾客的炒菜清香，惊动了一帮强盗把脸抹黑率领饥民闯进谷家大院吃大户，谷家的人纷纷抄起棍棒准备持械恶斗，谷正春忙制止住家人，毕恭毕敬地把吃饱喝足的饥民送出院子。他带着妻子和侄子谷雨来到省城面见脑系六月，脑系六月小时候跟他同在一个私塾上过几天学堂，成年拉杆子当土匪时到他家抢粮，风烛残年的谷老爷子受不得惊吓断气而亡。两人一见面就唇枪舌战争得面红耳赤，最后以脑系息事宁人写下借脑袋字据，双方才落座恳谈拯救民瘼之事。原来他接受于右任之托回陕助脑系救灾，脑系听说他回关中是想办一座农业大学，差点把喝进嘴里的一口茶喷出去，等听明白他在国外学的是农田水利，能尽快修一条渭河渠把水引到地头让老百姓种上庄稼，这才把嘴里的茶水吞咽下去，当即委任他为水利厅长，还派来一个得力助手，此人就是曾让谷正春在家乡吃过闭门羹的父母官第五大雪县长。

　　以工代赈的修渠工程充满坎坷，第五手持皮鞭抽打消极怠工的民众，不料被民众打得鼻青脸肿。脑系派厉冬连长带领士兵前来镇压，凶狠的士兵把老百姓打得落荒而逃，工地上找不着干活的人影。谷正春一筹莫展之时，强盗丁地龙一伙被脑系捉拿住要就地正法，曾自愿在终南山自焚的寡妇潘妈妈跪地哀求谷正春，谷正春便出面救下他一命。丁地龙感恩图报利用老百姓想挣粮养家的心理，一夜之间招来数千民工，很快数百里工地全面开工，水渠开挖进度如火如荼。渭河水渠即将竣工之时，灾荒后肆虐关中的虎烈拉瘟疫降临了，谷正春带着一伙修渠骨干躲避在一座山神庙，由芒种赶车到渭河沿转运粮食，芒种喝河水不幸染上瘟疫，为了不连累大家，在山神庙外的茅草棚里自焚而亡。

　　渭河渠修成之后谷正春本想接着去修泾河渠，谁知脑系见天已下雨灾荒渐去没有了当初的热情，谷正春负气上北京下南京筹措资金，皆无果而返还染上疾病，只好带着丁地龙等回到老家将养身子。时值抗战爆发，山西有钱人纷纷逃过黄河躲避战火，有人愿出数倍高价购买渭北名宅谷家大院，筹资心切的谷正春遂卖掉宅院，想拿钱去泾河流域勘察，就在侄子辞别家园跪拜祖坟时，丁地龙和小满也跟着谷雨大哭不止，谷正春颇为不解仔细询问之下，才得知祖坟原来就是被他俩盗了。

　　谷正春、丁地龙和小满来到荆棘沟测绘地形，夜晚迷路在沟里露宿，不料遭遇狼群，小满被狼拖走尸骨无存。脑系深受感动前来看望，终于答应若暂缓修渠可以考虑先给他建一座高等农校，借鉴国外先进耕作技术教民稼穑。经过一系列别出心裁的考试，谷雨、寒露、潘大雨等成为农校首批学生。开学典礼谷正春带领大家来到死气沉沉十室九空穴地而居的山沟人家，让大家感受国家内忧外患的现状和惨不忍睹的农村面貌，激励后学培育出动植物良种、种好庄稼拯救国家，拯救百姓。

　　七七事变后，谷正春带着侄子冒着危险去北平，想请植物学家黎夏来校任教。但黎教授赠给他一批资料和蝴蝶标本，毅然投笔从戎打鬼子去了。谷正春返回学校路上遇到飞机轰炸，看到有位青年用身体护住一盆棉花，后得知他就是曾经受过自己资助、前往日本留学回国的傅立秋，于是盛情邀请他去关中农校任教。黎夏投军后很难适应行伍生活，常因完不成训练科目痛遭长官训斥，一次在前沿阵地埋伏打仗，看到一只珍稀品种的蝴蝶，竟然放下枪去逮蝴蝶，差点被军法处给枪毙掉。他辗转来到农校不久，去附近村庄给一个叫霜婆子的农妇观瞧果树，赶巧碰上几个债主前来讨债，霜婆子被打得头破血流，坐在院子里哭天喊地。黎夏不忍目睹，掏出几块大洋还了债，答应帮她建一个苹果园，让她以后过上好日子。

　　寒露与傅先生在校园里意外相遇，得知他到日本后始终保留着自己赠送过的一个菜团子，不禁非常感动。一起栽种棉花时，傅立秋讲述着自己的辛酸往事，令寒露觉得他几乎是带着一种悲壮情怀舍命栽种棉花，每逢失败就痛不欲生。两人在相互抚慰中逐渐建立起深厚的感情。傅立秋从东洋带回的海岛棉，遭遇到一种软杆病，根治这种霉菌的日本药品沦陷区才有。傅立秋立即赴开封冒险买药。通过日本兵的封锁线时，日本巡逻队的军犬从柴草中把药品拉了出来，他也被送到练兵场去当士兵练刺刀的靶子，一个日本士兵站到他面前端枪刚要刺，他忽然喊了一句：山口二郎！原来山口二郎曾是他帝国大学的同窗，在山口的帮助下他终于拿到药回到农校。秋天里，海岛棉结出大朵大朵的棉桃，傅立秋夫妇欢天喜地带着学生到地里采摘棉花，不曾想突然遭遇日本飞机前来轰炸。傅立秋看到棉花地变成火海，奋不顾身跑去灭火扑救，一颗炸弹落在身边爆炸，躯体瞬间被炸得无影无踪，只剩寒露缝的一袭长袍在空中飘飘飞舞……

　　谷校长出国探望病中的妻子爱玛，给畜牧场的潘大雨带回一群个头特别大的外国鸡——亨鸡和欧洲黑，语重心长地叮嘱说要把这些小鸡良种尽快扩大种群，迅速推广到老百姓家里去，力争让下一代农家孩子不再骨瘦如柴。爱玛在生命垂危之际委托国际粮农组织把两头荷斯坦奶牛和几只良种奶山羊运送到新疆口岸，潘大雨和丁地龙开着汽车去迎接，沿途路况太糟，天又下雨，汽车一下子滑进沟里。潘大雨只好赶着牛和奶山羊先走，路过一个集镇，听说前面闹土匪，他就改走偏僻小道，结果还是遭遇到土匪，把他和两头牛连带奶山羊都一起掳走。潘大雨被押到土匪窝，看到土匪头子的老婆褚芙有些面善，就一口一个大姐哀求她给土匪头子说好话，留住奶山羊和牛别杀掉。土匪头子年大福被缠得烦了，就说除非他留下来当土匪，天天给我倒尿盆。

　　关中地区又遭逢旱灾，谷校长忧心如焚来到省城，找寻脑系的继任董之主任要求下拨经费兴修泾惠渠。他顶着寒风一路施舍饥民来到董主任饮酒的太白酒楼，董主任醉醺醺地说你来了不喝酒我就不跟你谈钱的事。谷正春一口气喝了大半瓶子酒。两人醉醺醺地相互搀扶着走出太白酒楼，谷正春指着饭店外奄奄一息的乞丐，忽然有感而发说了句“朱门酒肉臭，路有冻死骨”啊。董主任一听大怒，拂袖而去。谷正春说你还没给钱不能走，董主任甩开他偏要走，盛怒之下还叫警察局长以妨碍公务为由把他带到局子里去。嫁给董主任的第五小雪在家里听说丈夫把谷校长抓起来了，气愤之余赶忙到警察局探望，进门发现他酒还未醒，便柔声劝他先回去，说筹钱的事由她来操心。谷校长回到学校不几天，果然修渠的钱就拨下来了。他感慨地对黎夏和第五大雪说别看小雪是个女流之辈，论起做人大义其实比男人还强啊！

　　潘大雨在土匪窝里为保护牛羊和独眼拼过命，仗着是个兽医也治好过黑胖子二福和众土匪的枪伤。他看到这个山沟水草丰茂，既能放牧又适合种庄稼，担心土匪抢粮不易饿急了杀他的牛羊，就独自垦荒劳作，种土豆、红薯、玉米，种什么成什么，打下的粮食足够山寨吃一年，土匪头子大喜过望，加封他做了副头领。

　　春天里寒露带着女儿，雇马车满载精心培育的棉籽来到渭北棉区，租住在大韩小韩夫妇俩的农家小院，挨家挨户推广海岛棉花种子，并亲自示范咋样给棉田打垄，追底肥，还用暖棚培育出茂盛的棉花苗，棉农终于相信她是个种棉花的高手。渭北的伏天酷热难当，寒露带着女儿帮农民捉棉花虫子。孩子在田间玩累了，就睡在田头蓖麻叶底下。一个外村的棉农匆匆跑来说他家的棉花棉桃不停地脱落，想请她去看看。寒露二话不说背起孩子就跟他走，母女俩在回来的路上，遇到瓢泼大雨，淋得像落汤鸡。费尽气力蹚着泥水回到家，寒露实在太累了，胡乱和孩子吃了点饭就睡觉。半夜里，她迷迷糊糊地被大韩媳妇推醒，才知道自己的孩子发烧哭喊，把大韩夫妻都惊醒了。凄风冷雨的夜里，她和大韩抱着孩子打着赤脚朝县城医院奔走，路上孩子的呼吸越来越微弱，但懂事的孩子还安慰她说，妈妈，我要死了，你别难过，我死了就给你变棵大棉花！在离县城还有二里地远的时候，大韩忽然对她说，大姐，孩子不行了。她一摸孩子已经全身冰冷冰冷的了，一下子昏厥过去。

　　山寨里的牛奶喝不完常往河里倾倒，潘大雨劝土匪头子把一群牛羊送到省城，办座奶牛场去赚钱。小雪听说省城有人办奶牛场，去看新鲜时很奇怪一帮粗人咋会有纯种的荷斯坦奶牛。黑胖子得意忘形，夸耀着山寨里有个能人姓潘，繁殖牲口简直就神了。小雪脱口而出问那人是不是叫大雨？黑胖子不觉说露了嘴：咦，你咋会知道我兄弟的名字？小雪得知潘大雨下落不久，谷校长就亲自去山寨把他招回来，并给学校赶回几头良种牛羊。要过年了，潘大雨赶到水渠工地去看母亲潘妈，代理校长第五大雪想巴结省府官员，竟然叫人把潘大雨带回来的牛羊全宰杀掉，把牛羊肉拿到省城去送礼。潘大雨从水渠工地回来找不着牛和羊，急得像疯了一样，一个职工悄悄告诉了他真相。潘大雨觉得简直不可理喻，气急败坏地找到第五家，第五正有滋有味地喝着羊肉汤，还端来一碗让他品尝。潘大雨气得把碗摔在地上扭头就走，独自在畜牧场伤心了半夜，毅然把仅剩的几只来亨鸡和欧洲黑装进鸡笼，连夜挑着又去了土匪窝。

　　谷校长在爆破时被一块石头砸在腰眼住进医院，已经把山寨里的牛羊鸡都搬到省城、建起一座畜牧场的潘大雨前来看望，发觉他的腰弯成了罗锅，难过地检讨自己没能在学校站住脚。谷校长安慰他说好的大学并不在四堵墙之内，而是在老百姓的心坎上！

　　渭北棉田的棉花即将收完，寒露身边也没钱了，就回到学校探家。走进学校才发现自己已经变成陌生人，不但几个月前已被学校除名，连她的房子也被别人住了。她找到管后勤的职工，在一个仓库角落里找到自家的破旧衣柜，从落满灰尘的杂物里，找出傅立秋的牌位，用心擦拭干净，用包袱背起来带走了。她又来到渭北农村，把丈夫的牌位和女儿葬在一起，伤心地说立秋咱一家总算在这里团聚了。寒露回村不久就得了伤寒，村民积极凑钱为她看病，几十个小伙子轮换着用杠子把她抬到县医院抢救，四乡八里的村民也都赶到医院来探视，把医院里三层外三层围得水泄不通，医生都感叹地说，行医一辈子从来没见过哪个人会牵动这么多人的心……

　　泾惠渠竣工后谷校长又返回学校，专程去渭北棉区接回寒露。此时谷雨经过无数次劫难，终于让良种小麦神农一号大获成功，把关中小麦亩产量从不足百斤提高至350多斤。谷校长吃着用神农麦蒸熟的花卷，连声喊了三个好，末了又说，孩子，我这是替咱老谷家的所有人朝你叫好，是替黄河两岸靠种小麦为生的老百姓朝你叫好，是替中华民族长眠地下的列祖列宗朝你叫好，你能听得懂吗？

　　就在他雄心勃勃又想募捐兴修洛惠渠时，因肺痨晚期猝然离世，关中老百姓为他举行了规模空前的盛大葬礼。