故事发生在九十年代的可可西里，巡山队员强巴被盗猎者杀害后，身为警察的尕玉，被领导指派去调查。他假扮成记者，跟随由政府组织的自愿者巡山队去追捕盗猎者。
当尕玉赶到队长日泰居住的地方时，牧民们正在给强巴举行天葬仪式。他说明来意后，不苟言笑的日泰才让他进村。走到院子，他看见院子里晒满了羊皮。
半夜，日泰叫醒了还在睡梦中的尕玉，要马上去追捕盗猎者。临夏前，每一个队员都更亲人拥抱。每个队员都知道，追铺的路上有凶险，能不能活着回来是未知数。
天亮了，迎面开来一辆卡车，车厢上站满了人，却没有任何东西。日泰一看就知道这是人肉带货的农民，把车拦下来，果然在司机口袋的夹缝里搜出羊绒。
日泰告诉尕玉，这些人是农民，搜出他们身上的羊绒后只能放他们走，无法采取任何制裁，因为人力有限。
放走了农民，巡山队继续赶路。很快他们来到不动泉保护站，这里只有一个队员值守，这个队员已在这里三年了，平时的供给都靠巡逻队给他送来。队员在这里吃饱饭又出发了，车走了好远，值守队员还在挥手告别。
第二天，巡山队来到卓乃湖。尕玉被眼前的景象吓呆了，这里堆满了藏羚羊的尸骨。远处的河里有两个在扑鱼，大家一齐走过去问情况，可这两人大概怕报复，什么都不说。
队员一起动手，把尸骨捡了堆放在一起烧了。这时，日泰对尕玉说，每一年他们都要在这里焚烧一万具藏羚羊的残骨。
一晃，已是巡山队出来的第五天了。远远地，他们就看见河那边有人。如此，他们不顾天气寒冷脱了裤子拿着手枪朝那群人走去。
这是一群剥皮子的牧民，有个二十岁的小伙子被子弹伤了大腿动脉。虽然他央求日泰救他，日泰也马上施救，但回天乏术不救而亡了。
队员用枪指着这群剥皮子的人问谁是开枪打藏羚羊的人，谁都在摇头。后来，大家对司机动武，在小命难保时，他才带着队员去挖藏在沙漠下的羊皮。这些羊皮铺满了沙漠，从外形上看都是怀孕的藏羚羊。若是不被猎杀，又该增多不少藏羚羊。
当队员把把羊皮装上车，便押着剥皮子的人继续前行。可在队员看见前面停着一辆车下去勘察时，年老的剥皮子者带着他三个儿子逃跑了。日泰与队员去追赶。
突然一名队员倒了下去得了肺气肿昏迷不醒，日泰虽然带有药，却没有水无法注射。年老者的儿子曾是兽医，他抽了血注射，这名队员醒来了。可要想脱险，得送到医院去。
日泰让刘栋带伤员上医院兼补充粮食及油，每人拿出身上所有的钱，却还不够。日泰就对刘栋说卖皮子。
怎么会懂法犯法呢？尕玉很讶异。日泰说他们是自愿的巡山队，没有编制，也没有工资。只能把缴获的皮子大部分上交，另一部分卖了维持生活。
当刘栋带伤员返回时，日泰放了剥皮子的人，继续去追赶捕猎者。可没走多远，车子没油了，日泰让那三人在那等刘栋赶来，他与另外三名队员往前走。
第九天，不仅车子没油，吃的东西也没有了。队员去打来野兔，几个人生吃填肚皮。吃饱以后，他们继续赶路。
当然，带伤员回去的刘栋也不顾疲劳日夜赶路，当他把伤员带到医院时，他困得在门口睡着了。醒来得知伤员已无大碍就去找女朋友要钱，女朋友是陪酒女，她受够了这种没有希望的日子。
次日，刘栋醒来后，女朋友走了，给他留下了钱。他拿上这点钱再卖了些皮子，买好补给又出发了。半路上，车轮陷进沙里。刘栋下车拿起轮胎准备更换，被陷进沙里。虽然拼死挣扎，最终还是被流沙吞没了。
如此，三个等刘栋赶来的队员没能等来刘栋，天又下雪了。他们慢慢走到公路，希望有人能搭载一程。可因为他们有枪，没有车停下来。
还在前行的日泰也已两名队员走散了，但他和尕玉仍在前行。不知走了多久，拿着枪的盗猎者在前面出现了。
日泰和尕玉走上去，剥皮子的老者也在那，原来他们走着走着就与老板碰头了。他指着身边的人对日泰说，这是老板。
老板让日泰放过他，还说只要他不再为难，可以给他买两辆车并建一栋洋楼。可日泰一本正经地让他们放下枪，跟他走。
日泰的话刚落，捕猎者就朝他开枪。发现他没死，老板又补枪将他打死。尕玉没有被为难，因为老者感恩他曾给馍吃，告诉老板说尕玉不是队员。
尕玉回到北京后，写了一篇震惊中卫的报导。一年后，政府在可可西里设立国家自然保护区并成立森林公安机关，解散了原志愿巡山队。四名参与买皮子的队员被捕后又被无罪释放。
又过了一年，可可西里的藏羚羊由一万只恢复到三万只。
这是电影《可可西里》的故事情节，捕猎者的与巡山队员的较量本应该邪不胜正，可因为巡山队没钱，无法与盗猎者抗衡，牺牲很大。正因为有这些为保护藏羚羊现身的英雄，才能确保可可西里是最后一方净土。
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