苍茫的海域，一艘舷号866和巨大的“红十字”标志的“和平方舟”舰船正在劈波斩浪向前航行。这艘中国海军医疗船已经在航线周边国家数次执行“和谐使命”任务，广受赞誉。一场突如其来的紧急任务来临，护航编队军医张渡航(陈坤 饰)被调上了“和平方舟”，营救一艘失联多日的渔船。
没想到的是，这艘渔船遭遇了莫名的病情攻击，船上的人死了大半，尸体都面容发黑。张渡航与院长孙诚海(王强 饰)经过化验，确定船上的人感染了致命性极强的传染性鼠疫。张渡航二话不说，亲自赶去渔船，将身患传染病的工人和孩子带回了“和平之舟”治疗。
渔船救援任务完成后，孙院长希望张渡航留在和平方舟继续工作，可张渡航却想着早日回编队转业。张渡航的妻子沈默(张萌 饰)患有脑瘤，前段时间刚刚手术完，张渡航想多花时间陪在她身边。一边是亏欠多年的妻子，一边是不容推辞的使命，张渡航陷入了两难的境地。
另一边，海上医院军医路阳(张天爱 饰)正在给众医护人员上“枪弹穿透伤的处理”的课程，张渡航发现了她授课内容中的错误，让同事告知她。不料直接人惹怒了路阳，二人因医学理念不同，展开了激烈的争吵，张渡航眼见船上的军医这么不靠谱，决定留下，更是与路阳水火不容。
阴错阳差间，两人竟调到了一个部门，不得不硬着头皮处理各种紧急任务：在公海勇斗“优雅”号商船贩毒分子、赴威利国进行台风灾后救援、开展“万里海疆行”为西沙海战老兵和海岛居民提供医疗服务、赴非洲抗击传染病等。在海军蛟龙突击队队员的支援下，他们一次又一次地完成了从病毒、从死神、从恐怖势力手中抢救生命的任务。
多次出生入死后，张渡航和路阳两人越来越默契，发展成了好友，“和平方舟”返航后，两人也同病相怜，遭遇了生活上的打击。张渡航的妻子脑癌复发，正在遭受一点点失去记忆的摧残;路阳的男友顾宇峰(尹昉 饰)远赴维纳卡加亚国投身“一带一路”工程建设，俩人聚少离多，面临分手。
就在两人陷入家庭情感的纠葛中时，“和平方舟”的新任务又来了，不得不抛下妻子和男友，远赴海外执行任务。当他们再次返航时，张默已经病发去世，而顾宇峰也彻底和路阳结束了。张渡航陷入妻子离世的阴影中，是路阳一直陪在他身边，替他抚平伤痛，朝夕相处间，两颗心越走越近，最后走到了一起。
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