故事发生在上世纪中国第一藏书楼宁波天一阁清末民初时局动荡，范家主人范榛却一直固守着祖宗留下的藏书。叔涵（黄磊扮演）是他收养的孩子，从小记忆力惊人，他喜欢上了父亲老友林正公的女儿林若云，两人相约私奔，却被家人发现，若云溺水身亡，叔涵流落江湖，遇到了与若云长得一样的混血姑娘明妮（马伊俐扮演），两人陷入欲罢不能的恋情中。叔涵大姐韵涟（范冰冰扮演）聪颖贤惠，却因家庭原因不得不嫁给林正公长子林少卿（耿乐扮演），她与范家修书人方子文两情相悦，并有一夜激情，替他生了个孩子。时日军侵占华东，范家长子伯清（王劲松扮演）掌管家业，藏书四散凋零。明妮也因战乱流落欧洲，身陷德军集中营，叔涵千里迢迢赴欧洲找寻，却发现明妮已身患重病，新婚之夜死在叔涵怀里。抗战胜利，伯清与夫人敏怡带着部分家藏图书来到台湾，少卿和韵涟远赴日本，只有叔涵一个人默默守候着天一阁，鞭炮声中，开门迎来了接管藏书的解放军。
