赤壁以長坂坡之戰開場，曹操在擊潰劉備後，認為對他稱霸天下有威脅的是東吳，再加上曹操鍾愛的小喬誓死不從，令他大發雷霆，執意攻打東吳。孫權派魯肅以弔唁劉表之名與劉備會面，商討聯合抗曹的事情。劉備在同意了與東吳聯合抗曹的建議之後，派諸葛亮前往東吳。孫權的妹妹孫尚香與魯肅用激將法堅定了孫權抗曹的決心，並且把周瑜召回，主持抗曹。兩軍最終在赤壁相遇，在黃蓋的詐降計策之下，曹操大敗，沿華容道退回江陵。
  影片的戰爭主題環環相扣，劉備帶隊離開孫權，周瑜和諸葛亮用草船借箭，蔣幹盜書互立軍令狀，孫、劉聯軍需要的東風遲遲不來，火燒赤壁，激戰曹營，步步將劇情推向高潮。
  而在戰爭主題之外，趙薇扮演的孫尚香混入曹營做“臥底”，結識了蹴鞠踢得出色的孫叔財(佟大為飾)，兩人惺惺相惜成為好友。憨傻而善良的孫叔財直到孫尚香被曹營士兵發現追殺，依舊挺身相護，只道是“他回去看生病的娘”。孫尚香臨別的一句“我會回來看你的”，在這個男裝女子的心中，留下了多少唏噓牽掛，對方卻渾然不覺。直到有一天，廝殺曹營的對陣中，兩個情深意篤的好友相見，天真的孫叔財滿眼驚喜地回應著“小胖豬”(孫尚香)，被亂箭射中，無辜倒地。到死，他都沒有識破對方的身份，臉上還殘留重逢的欣喜……
  此時，小喬獨自潛入曹營想說服曹操撤兵，並為東吳贏得有力風向拿下火燒赤壁一戰拖延時間。最後在曹營的帳幕之中，趙子龍(胡軍飾)、周瑜(梁朝偉飾)與曹操(張豐毅飾)的激戰，趙子龍飛身勇救小喬，而周瑜用身體擋住懷有身孕的小喬，兩人倒地……
  故事發生在東漢末年的建安十三年（公元208年），距今年一千八百年整。當時的皇帝雖為漢獻帝劉協，但真正掌握實權的是丞相曹操。他威逼漢獻帝對南方的劉備和孫權開戰。曹操宣稱，他消滅孫、劉的目的是要為大漢一統天下，其實他是想廢漢獻帝自立。曹操親率近百萬大軍南下，第一站要攻打的就是駐守在新野的劉備。
  甫抵新野，曹操的軍隊就以絕對優勢的兵力很快擊潰了劉備的軍隊。劉備被迫逃離新野，大將關羽和張飛殿後，掩護老百姓撤退。與此同時，大將趙雲懷抱劉備的幼子阿斗，在曹營中單騎縱橫，斃敵無數，終於殺出重圍。
  此時，潰敗到夏口的劉軍與曹軍僅一江之隔。劉備明白，僅憑長江天險阻攔強大的曹軍並非長久之計，曹操早晚會打過長江，屆時百姓必將盡遭塗炭。情急之下，他派軍師諸葛亮前往東吳，與孫權商討結盟之事。
  東吳雖兵精糧足，但面對來勢兇猛的曹操大軍，時年26歲的孫權和他的眾文武大臣在降與戰之間猶豫不定。孫權的謀士魯肅私下里對諸葛亮說，要想說服孫權結盟抗曹，必須先說服他的軍事首領周瑜。諸葛亮趕往赤壁，探望在那裡訓練東吳精銳水軍的都督周瑜。諸葛亮和周瑜一見如故，兩人一邊盡興地撫琴，一邊商討戰事。在那裡，諸葛亮還見到了周瑜的太太、號稱天下第一美女的小喬。小喬的父親原來是曹操多年前的舊交。
  周瑜和諸葛亮一同面見孫權，力主與劉備結盟，共同抗曹。此時，曹操派人下戰書，讓孫權投降，遭到孫權的斷然拒絕。
  曹操大怒，派大將夏侯淵率一營騎兵偷襲孫劉聯軍。周瑜和諸葛亮對此早有防備。孫權的妹妹、假小子孫尚香領命應戰。夏侯淵不知是計，拍馬追趕，結果中了聯軍的圈套。夏侯淵落荒而逃，而他的一干人馬悉數繳械投降。交戰中，周瑜救了趙雲一命，自己卻受了傷。
  首戰告捷，東吳的士氣大振，在長江南岸地勢險峻的赤壁紮下營盤。在隔江而望的北岸烏林，曹操也建起了一座要塞，布防的水軍戰船達兩千多艘。為了迷惑敵軍，曹操一邊暗地裡加緊備戰，一邊卻讓手下的軍兵玩起了一種叫“蹴鞠”的足球遊戲。
  驍勇善戰的孫尚香裝女扮男裝，渡江混入曹營打探底細，並結識了一位名叫孫叔財的曹軍將領。後來，二人產生感情。孫叔財還將孫尚香招入了他的“蹴鞠隊”。
  曹操的水軍對南方的水土和氣候不服，紛紛染病，致使瘟疫蔓延開來。曹操不為所動，甚至將自己病亡士兵的屍體扔進聯軍的陣營。諸葛亮雖然迅速應對，但瘟疫還是擴散，眾多士兵病倒，聯軍的士氣遭到重創。而劉備和關羽、張飛和趙雲等眾將也四散逃命。
  大戰在即，此時聯軍兵力不佔優，同時亟需箭枝。諸葛亮便設下圈套，趁機削弱曹軍的實力。他派二十隻草船首尾相連，趁著濃霧連夜佯攻曹操的水軍。曹操不知是計，傳令不可妄動，只叫水陸兩軍的弓箭手向江上射箭。結果，二十隻草船滿載十萬餘支箭勝利返航。次日清晨，曹操懷疑軍中藏有奸細，並且發現了他的兩位水軍頭領寫給周瑜的書信（實為周瑜假造），信中聲言送十萬支箭作為投靠的禮物。曹操大怒，命將二人處斬。眾水兵恐受連累，四散逃命，結果皆被俘獲，並以叛降之罪處死。儘管如此，曹操仍然執意在數日後攻打聯軍。他慷慨陳詞，終於扭轉了軍中的士氣。
  在赤壁營地，聯軍預謀用火攻之計對付曹操的水軍，因其戰船都是連在一起的。但當下北風甚盛，稍有不慎便可能反燒到聯軍自己的戰船。此時孫尚香攜一張曹營的地形圖返回南岸。聯軍據此部署戰術。
  小喬不顧周瑜的反對，隻身前往曹營，試圖說服曹操撤兵，至少可以拖延一些時間。曹操其實一直就很喜愛小喬，此時更是被她的美貌吸引住了。更有傳言，曹操起兵的目的就是為了博得小喬的芳心。
  此時，諸葛亮禀明周瑜，次日便是冬至，根據天象，風向將變，可按原計劃行事。周瑜指揮東吳的軍隊不動聲色地準備著，一邊在陸地上從三麵包圍曹營，一邊部署水軍的戰船在江邊一字排開，等待東風。小喬則與曹操周旋，分散他的注意力。
  最後，風向果然大變。東吳幾隻燃燒的戰船衝入了曹操的水軍營地。風借火勢，曹營立刻變成了一片火海，幾千艘戰船被付之一炬。吳軍從陸地上也開始發動攻擊。
  曹操被打了一個措手不及。但他迅速指揮精銳的騎兵進行反撲，把東吳軍趕到了江邊。就在這時，劉備率兵趕到，將曹操擊退，並趁勢向他的要塞發起進攻。在趙雲和孫權的掩護下，周瑜衝進曹營，救出了小喬。曹操差點喪命，只得落荒而逃。八十三萬大軍被殺得只剩下幾百人。此一役孫劉聯軍大獲全勝。
看到曹軍潰敗，諸葛亮下令收兵，給曹操留一條生路，讓他灰溜溜地去向漢獻帝復命。之後，諸葛亮與周瑜和小喬依依惜別。