《血战长空》的故事发生在抗日战争初期。日军全面入侵之际，国民党空军中涌现出一批斗志昂扬的飞行员，其中以高云天（邵兵 饰）和刘长岭（沙溢 饰）为代表。他们凭借勇气与智慧，驾驶战机与日寇展开殊死空战。
刘长岭爱上了中共地下党员、情报处上尉马昕蓝（李依晓 饰）。南京大屠杀发生后，面对日军惨无人道的暴行，刘长岭以生命捍卫祖国领空，也用一次次战斗表达着对马昕蓝的深情。一次作战中，刘长岭跳伞后被八路军营救。得知这一消息的马昕蓝以民族大义为重，强忍心中情感，与刘长岭以不同方式共同抗击敌人。
在之后的空战中，高云天失去了一条腿和一只眼睛，刘长岭则壮烈殉国。马昕蓝怀抱着爱人的遗物，悲痛哽咽。
