抗日战争初期，出身武汉军政世家的刘家二公子刘天伟（刘德华 饰）是一名空军飞行少尉。一次执行任务时，他遭遇火力强劲的日军，虽然侥幸脱身，却身负重伤，迫降在一座偏僻山村，幸得村姑小禾（吴倩莲 饰）相救。在小禾的悉心照料下，刘天伟逐渐康复，两人也由此相爱。然而，这段感情遭到了村长的反对。
为了和小禾在一起，刘天伟决定带她离开村庄，可小禾最终没能及时赶上飞机。返航途中，刘天伟再次遭到敌机袭击，两架飞机被日军击落。同僚认为是他连累了大家，家人却为他的归来举行了盛大的欢迎仪式，这反而让刘天伟倍感痛苦。
不久后，国民政府决定撤往重庆。为了掩护大部队转移，空军必须执行轰炸日军基地的死亡任务。刘天伟不顾家人反对，主动要求参加行动。大队长（方中信 饰）起初坚决反对，最终被他的决心打动，同僚之间的误会也随之化解。此时，小禾来到武汉找到刘天伟，并告诉他无论发生什么，自己都会等他回来。
行动开始后，小禾和刘母一同留在基地等待消息，最终却只等来了刘天伟殉国的噩耗。小禾不顾众人阻拦，坚持每天清理机场，始终相信他还会回来。她的执着感动了所有人，而奇迹也真的发生了——刘天伟最终平安飞回基地。这段动人的故事，正是电影《天若有情3烽火佳人》所讲述的传奇爱情。
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