住在土樓的花木蘭從小就好動，但也因為調皮搗蛋的個性，經常受到其他村民的抱怨。木蘭的父親花周告訴木蘭，女人應該要靠著結婚來光宗耀祖，並告誡木蘭要隱藏使用氣的天賦。
女巫仙娘在變形成一名商人後先潛入一座邊城，接著，上次戰爭中被皇帝殺死的柔然可汗之子布利可汗突然出現，親自帶領柔然騎兵對城池發起衝鋒。布利可汗先徒手抓住一支城牆守軍射來的箭，接著率領柔然戰士以近90度的角度衝上城牆，與已經在城內的仙娘一起攻陷邊城。消息傳回都城後，宰相向皇帝報告說布利可汗已經重建了柔然軍隊，並攻陷北方六城，中斷絲綢之路的貿易。同時一名倖存下來的士兵，向皇帝稟告這名女巫靠著強大的氣帶領柔然軍，皇帝決定召集一支軍隊保護絲綢之路，並發布詔令，下令每個家庭提供一位男丁加入軍隊。但其實這名倖存士兵是由仙娘變形成的，她在離開皇宮後變形一隻老鷹飛回柔然軍隊的營地。
隨著木蘭長大，父母決定讓木蘭嫁人，但木蘭在媒婆家搞得一團亂，媒婆斥木蘭為花家的恥辱，木蘭和其家人只好在村民注視下離開。這時一群官員帶著皇帝的圣旨進到土樓，宣布每個家庭必須派出一名男子去和北方侵略者作戰，當官員一一唱名，輪到花周上前接旨，花周表示雖然之前與北方侵略者的戰鬥中，已經受了傷，但他仍然會接受服役，但隨即因為腿傷而倒下，他拒絕士兵的攙扶，獨自爬起漫漫離去。
木蘭決定代父出征，在夜晚偷拿了父親的武器盔甲，在祠堂向祖先牌位下跪後，駕馬離開土樓。半途迷路的她在鳳凰的指引下成功抵達軍營。化名為「花軍」的木蘭在報到時與陳洪輝發生衝突，隨即遭到董將軍的制止，而董將軍發現木蘭使用的劍是以前認識的花周所有。在堅實的訓練下，木蘭和其他袍澤越來越強，但在一次槍的訓練中，木蘭與洪輝再次發生衝突，兩人在對打中，木蘭使用了氣擊敗了洪輝，而旁觀的董將軍也目睹一切。木蘭趁晚上河邊沒有人的時候跑去洗澡，遇到同樣來洗澡的洪輝，洪輝想與木蘭和好，但尷尬而惱羞的木蘭只能回絕。
與此同時，布利可汗召集了12位柔然部落的領導人，攻下了一座又一座的城池。木蘭所屬的部隊在還沒有完成訓練的情況下，奉命支援前線。在出征之前，士兵向三大美德「忠、勇、真」宣誓，宣誓完良心不安的木蘭原本想向董將軍坦承其性別，但董將軍要找她當女婿，不敢說出口的木蘭只好作罷。
到達堡壘的董將軍收到偵查兵的匯報，柔然軍隊正在集結，決定主動出擊。當兩軍交鋒後，木蘭追擊逃走的柔然戰士，在獨自一人的情況下遇到了仙娘。由於木蘭自稱假名花軍，無法面對三大美德的中「真」，沒辦法完全施展氣，因此被仙娘射出的手裡劍擊中胸口昏了過去。醒來的木蘭再次看到了鳳凰，決定面對自己的身分，脫掉盔甲回歸木蘭的身分，重回大部隊中加入戰鬥。這時仙娘變形成一群烏鴉發動襲擊，董將軍下令部隊組成圓形的方陣抵禦攻擊，柔然軍趁隙搬出一台投石機攻擊聚集在一起的帝國軍。木蘭見狀，繞到另一邊以弓箭對柔然軍隊射擊。受到攻擊的柔然軍將投石機轉向木蘭，結果擊中了木蘭後面的雪山引發雪崩，雪崩吞沒了整個柔然軍，卻也波及到了帝國軍。
騎馬狂奔的木蘭將洪輝從雪中撈起來，並向袍澤坦承其身分，憤怒的董將軍將木蘭逐出軍隊，傷心的木蘭再次遇到仙娘，拒絕仙娘招攬的木蘭回到軍隊，並說服董將軍組成一支小隊返回都城，因為柔然的軍隊將會對都城發動攻擊。
柔然刺客飛簷走壁的滲透都城，仙娘變形成宰相後，前去晉見皇帝，表示布利可汗在新建中的皇宮向皇帝提出決鬥，而皇帝也答應了。換上戎裝的皇帝前往決鬥地點，而假宰相將都城所有的禁軍召集到廣場待命。木蘭與董將軍的小隊就在沒有衛兵攔阻的情況下抵達廣場，這時與其他禁軍遭到了柔然刺客的埋伏，董將軍命令木蘭去保護皇帝。此時抵達新建皇宮工地的皇帝也遭到布利可汗埋伏，他使用工地防塵布擊倒了幾名柔然刺客，但還是不敵人數眾多的柔然士兵而被俘，布利可汗準備燒死皇帝。
木蘭的袍澤幫她擋下追兵，而木蘭抵達宮殿時發現仙娘坐在龍椅上，木蘭說服了仙娘幫她找到皇帝，在仙娘的指引下前往工地，而布利可汗也發現仙娘帶了一名年輕女人過來，使用弓箭企圖射殺木蘭，仙娘立即變形成老鷹擋下弓箭，死在木蘭的懷裡。木蘭登上興建中的皇宮，與布利可汗對打，途中不小心將父親的劍掉進液態鐵，兩人最後跳上由起重機吊起的一根木材，布利可汗想要跟木蘭繼續對打，木蘭卻直接把繩索砍斷并迅速抓住绳索上端，布利可汗则墜落。木蘭幫皇帝解開繩索時，沒死的布利可汗射了一隻弓箭，卻被皇帝接住，皇帝將弓箭輕輕一拋，木蘭一個空中迴旋踢將弓箭射向布利可汗，布利可汗想接住卻被射中丧命。
都城放煙火慶祝，皇帝想讓木蘭加入禁軍，木蘭没有接受，只想回家尽孝；洪輝送別木蘭。回家的木蘭得到父親的諒解，而董將軍也將皇帝的封賞送到，是一支「忠、勇、真、孝」的長劍，比木兰丢失其父的长剑上的“忠、勇、真”增了一“孝”字。