可可西里，中國四大無人區之一。
上世紀80年代這裡是藏羚羊的生活起居之地，大約100多萬隻藏羚羊在此棲息。
到了90年代，由於美國對藏羚羊絨的大量需求，貪婪的不法分子看到商機，開始大肆獵殺藏羚羊，當地的居民自發組織起一支巡山保護隊，與盜獵分子展開鬥爭。
著名的導演陸川根據這支巡山隊，拍攝了這部《可可西里》，以他拿手的紀實手法展現了可可西里不為人知的一面，通過巡山隊員不畏強暴、甘願犧牲的精神感動了世人。
影片起始就描述了盜獵分子大肆獵殺藏羚羊，獲取藏羚羊皮的畫面，並且遇到巡山隊的隊員，一律殺掉。
身為北京的警察尕玉為了調查藏羚羊的獵殺情況，假扮為記者潛入了可可西里，並接觸到了巡查隊的首領日泰，日泰等人熱情的招待了他。
當晚，巡查隊接到片首藏羚羊和巡查隊員被殺的消息，決定進山巡查。他們每次進山都要與家人告別，沒人知道自己是不是能活著回來。
進山後，他們在運輸皮毛的必經路線上設卡，成功截獲了還未來得及運出去的藏羚羊絨。但是由於只是一批幫盜獵分子運輸藏羚羊絨的平民，巡邏隊只能將他們放了。
第二天，他們來到自己設的關卡處，向尕玉展示了巡邏隊自己的民俗風情。由於離村莊比較遠，而此處又要安排人守卡，人手缺乏的巡邏隊員只能安排隊員長期在這守護，有家不能回。
隨後，巡邏隊來到盜獵分子的屠殺現場，如地獄一般，只剩下遍地的藏羚羊骨架，還有幾隻禿鷲在掃蕩剩餘的殘渣。
憤怒之餘，一干人只能挖坑埋葬了這些藏羚羊骨架。
隨後，巡邏隊開始追查盜獵團伙的下落。終於，發現了正在過河的盜獵分子，以日泰為首的巡邏隊不顧河水的寒冷刺骨，脫下衣服趟水過河，抓鋪了馬佔林一群人。但是他們卻只是盜獵分子手下負責收皮子的小嘍囉，也就是所謂搞後勤掃尾的。
通過嚴逼利誘，巡邏隊找到了被他們藏起來的藏羚羊皮。
在押送的途中，通過尕玉與剝皮老頭的對話瞭解到，他們這群人以前都是放牧的，但因為草原的沙漠化，搞得牛羊都死光了，為了生存，才給盜獵分子剝皮子。
巡邏隊跟隨盜獵分子的蹤跡一路追尋下去。但很快，問題出現了，因為馬佔林等人的增加，帶的口糧出現了嚴重缺乏，並且一名隊員在追趕逃跑的馬佔林時受了傷。於是，日泰不得不決定，讓劉棟帶傷員回村裡，並帶補給回來。
而剩下的汽油只能堅持小車行駛三天，卡車必須遺棄。日泰放走了馬佔林一群人，讓他們自己走出山。
到了第十天，其中一輛車因為長時間行駛，發動機過熱，車子壞掉了。車上的隊員只能在原地等劉棟帶補給回來。
反觀劉棟，在經過幾天幾夜的奔波後，終於剩最後一口氣趕回了村子裡。因為買補給的錢不夠，劉棟只能去找女朋友借錢，而女朋友卻決定離開這個地方，但還是在臨走的時候將錢放在了劉棟身邊。
日泰最擔心的事情還是發生了。山裡面下起了雪，讓本來寒冷的天氣雪上加霜。留在車裡的隊員只能擁抱取暖，日泰和尕玉卻在決心的驅使下繼續追趕。
此時日泰一行加上尕玉只剩四人，但他們又不得不中途停下來找食物。通過他們對話才知道，原來大家以前都有本職工作，但出於對藏羚羊的保護決心，自發的成立了巡邏隊。由於不是正規的，縣裡面的政府不會給經濟支援，他們只能自己養活自己，無奈之餘也只能通過賣掉皮子來換取補給。
劉棟在買完補給之後就踏上追趕他們的路。但不幸的是，路上遇到了流沙，劉棟被活埋了進去。
而馬佔林一群人因為路上遇到了風雪，加上飢餓、勞累、寒冷，人越來越少，最後只剩馬佔林一個人走了出去。
第十七天，日泰一行人的另外兩名隊員也犧牲了，車子也沒油了，只剩日泰和尕玉兩個人艱難前行。不料，盜獵分子在逃出的馬佔林帶領下主動找到幷包圍了他們。
盜獵分子的老闆以兩輛汽車做交易喊日泰放掉他們，但日泰在被包圍的情況下仍然堅決回絕，最終被盜獵團伙用槍打死。而尕玉卻因之前給過馬佔林食物，逃過一劫。
最終，尕玉將日泰的屍體帶回村子執行了天葬。他自己回到北京寫了震驚世界的報道，可可西里在一年後建立了自然保護區，終於使藏羚羊免於滅絕的災難，原志願巡山隊解散。
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