可可西里，中国四大无人区之一。

上世纪80年代这里是藏羚羊的生活起居之地，大约多万只藏羚羊在此栖息。

到了90年代，由于美国对藏羚羊绒的大量需求，贪婪的不法分子看到商机，开始大肆猎杀藏羚羊，当地的居民自发组织起一支巡山保护队，与盗猎分子展开斗争。

著名的导演陆川根据这支巡山队，拍摄了这部《可可西里》，以他拿手的纪实手法展现了可可西里不为人知的一面，通过巡山队员不畏强暴、甘愿牺牲的精神感动了世人。

影片起始就描述了盗猎分子大肆猎杀藏羚羊，获取藏羚羊皮的画面，并且遇到巡山队的队员，一律杀掉。

身为北京的警察尕玉为了调查藏羚羊的猎杀情况，假扮为记者潜入了可可西里，并接触到了巡查队的首领日泰，日泰等人热情的招待了他。

当晚，巡查队接到片首藏羚羊和巡查队员被杀的消息，决定进山巡查。他们每次进山都要与家人告别，没人知道自己是不是能活着回来。

进山后，他们在运输皮毛的必经路线上设卡，成功截获了还未来得及运出去的藏羚羊绒。但是由于只是一批帮盗猎分子运输藏羚羊绒的平民，巡逻队只能将他们放了。

第二天，他们来到自己设的关卡处，向尕玉展示了巡逻队自己的民俗风情。由于离村庄比较远，而此处又要安排人守卡，人手缺乏的巡逻队员只能安排队员长期在这守护，有家不能回。

随后，巡逻队来到盗猎分子的屠杀现场，如地狱一般，只剩下遍地的藏羚羊骨架，还有几只秃鹫在扫荡剩余的残渣。

愤怒之余，一干人只能挖坑埋葬了这些藏羚羊骨架。

随后，巡逻队开始追查盗猎团伙的下落。终于，发现了正在过河的盗猎分子，以日泰为首的巡逻队不顾河水的寒冷刺骨，脱下衣服趟水过河，抓铺了马占林一群人。但是他们却只是盗猎分子手下负责收皮子的小喽啰，也就是所谓搞后勤扫尾的。

通过严逼利诱，巡逻队找到了被他们藏起来的藏羚羊皮。

在押送的途中，通过尕玉与剥皮老头的对话了解到，他们这群人以前都是放牧的，但因为草原的沙漠化，搞得牛羊都死光了，为了生存，才给盗猎分子剥皮子。

巡逻队跟随盗猎分子的踪迹一路追寻下去。但很快，问题出现了，因为马占林等人的增加，带的口粮出现了严重缺乏，并且一名队员在追赶逃跑的马占林时受了伤。于是，日泰不得不决定，让刘栋带伤员回村里，并带补给回来。

而剩下的汽油只能坚持小车行驶三天，卡车必须遗弃。日泰放走了马占林一群人，让他们自己走出山。

到了第十天，其中一辆车因为长时间行驶，发动机过热，车子坏掉了。车上的队员只能在原地等刘栋带补给回来。

反观刘栋，在经过几天几夜的奔波后，终于剩最后一口气赶回了村子里。因为买补给的钱不够，刘栋只能去找女朋友借钱，而女朋友却决定离开这个地方，但还是在临走的时候将钱放在了刘栋身边。

日泰最担心的事情还是发生了。山里面下起了雪，让本来寒冷的天气雪上加霜。留在车里的队员只能拥抱取暖，日泰和尕玉却在决心的驱使下继续追赶。

此时日泰一行加上尕玉只剩四人，但他们又不得不中途停下来找食物。通过他们对话才知道，原来大家以前都有本职工作，但出于对藏羚羊的保护决心，自发的成立了巡逻队。由于不是正规的，县里面的政府不会给经济支援，他们只能自己养活自己，无奈之余也只能通过卖掉皮子来换取补给。

刘栋在买完补给之后就踏上追赶他们的路。但不幸的是，路上遇到了流沙，刘栋被活埋了进去。

而马占林一群人因为路上遇到了风雪，加上饥饿、劳累、寒冷，人越来越少，最后只剩马占林一个人走了出去。

第十七天，日泰一行人的另外两名队员也牺牲了，车子也没油了，只剩日泰和尕玉两个人艰难前行。不料，盗猎分子在逃出的马占林带领下主动找到并包围了他们。

盗猎分子的老板以两辆汽车做交易喊日泰放掉他们，但日泰在被包围的情况下仍然坚决回绝，最终被盗猎团伙用枪打死。尕玉却因之前给过马占林食物，而逃过一劫。

最终，尕玉将日泰的尸体带回村子执行了天葬。他自己回到北京写了震惊世界的报道，可可西里在一年后建立了自然保护区，终于使藏羚羊免于灭绝的灾难，原志愿巡山队解散。