1944年，我国东北一个孤独的铁路小站上只有三个人，站长和他的妻子，还有一个扳道工人大崔。他们被迫为日本人工作。一天，火车送来了一个负伤的日本上尉浩太郎和他的小马夫、中国孤儿大头辫。不知什么原因，这个日本军官酷爱种植向日葵，他在小站周围种下了满山的向日葵，精心培育、侍弄着。为了显示他是日本英雄，他强迫强健的大崔与他比武，大崔在站长的暗示下故意输给浩太郎，被他发觉，浩太郎认为受了屈辱，开枪打伤了大崔。大崔发誓要亲手杀死这个日本人。小马夫的辫子不小心碰掉了浩太郎的乐器，浩太郎剪掉了他那代表家庭血骨的辫子，仇恨使小马夫愤怒，在为浩太郎洗澡时企图用开水烫死他。在一个葵花盛开的日子，浩太郎发疯似的用刀乱砍葵花，站长妻子碰巧看到，上前劝说，却险遭强暴，她拼命挣扎才逃脱，老实本分的站长被激怒了，他拿起菜刀奔向鬼子的住处……秋天，站上惟一的日本军人死在浴盆里，日本宪兵队派人来调查死因。在审讯过程中，查明是由于他渴望和平安静的生活，对现实绝望而自杀。为遮掩不光彩的事实，宪兵队严刑拷打、恐吓、逼供、引诱这四个中国人招认杀人，将他们推到了死亡的边缘。直到半个世纪后，审讯过这四个人的宪兵队长为自己在中国犯下的罪行忏悔。
