《黑太阳731》以第二次世界大战前夕的中国东北为背景，讲述日本扶植建立满洲国后，在哈尔滨设立731部队研究本部，秘密进行细菌武器研究的故事。1945年2月，日军军医中将石井四郎返回并接掌731部队，随行的还有一批来自千叶县的少年队员。军方对这支少年班寄予厚望，将他们与正在研发的新式细菌武器一同视为挽救日本败局的希望。
在残酷而严苛的训练中，少年队员被迫观看以中国人、朝鲜人和白俄为对象进行的“马路大”冻伤实验、细菌炸弹实验以及活体解剖。原本纯真的少年逐渐被血腥场面侵蚀，天性也在暴行中发生扭曲。1945年初夏，日本军国主义的失败已不可避免，石井四郎仍疯狂尝试制造鼠疫炸弹，企图挽救所谓的“大日本帝国”，然而法西斯势力的覆灭已迫在眉睫。
