En 1937, Lyudmila Pavlichenko es una estudiante que acaba de aprobar los exámenes de acceso a la Universidad Estatal de Kiev; para celebrarlo, acude a un campo de tiro con sus amigos, entre los que se encuentra una compañera de clase llamada Masha. En un giro de los acontecimientos, sus resultados casi perfectos en el campo de tiro hacen que el Ejército Rojo se ponga en contacto con ella para que entre en un programa de tiro al blanco. Un médico judío llamado Boris intenta cortejarla, pero ella lo rechaza y se marcha a luchar en el Frente Oriental tras la invasión alemana.

Finalmente, Lyudmila se une a un veterano francotirador llamado Makarov, del que se enamora. Sin embargo, él no corresponde a su afecto y le explica que perdió a su familia cuando los alemanes la invadieron. También se reencuentra con Masha, que ahora es una enfermera comprometida con un joven piloto. Mientras defiende la ciudad de Odessa, resulta herida y Makarov la lleva a un hospital local, donde Boris se ha ofrecido como médico militar. Tras despertarse, Lyudmila consigue que Boris le firme los papeles para poder volver al frente, pero se entera de que Makarov ha muerto en la batalla y los soviéticos se están retirando a Sebastopol.

Una vez de vuelta al frente, Lyudmila se empareja con un francotirador masculino llamado Leonid. Comienza a herir a los soldados enemigos para verlos sufrir, para horror de su nuevo compañero. A pesar de los duros comienzos de la relación, los dos acaban desarrollando un estrecho romance. Masha, ahora enfermera en el frente, les invita a su boda, pero entonces les revela la muerte de su prometido. Esto lleva a Lyudmila a decirle a Leonid en privado que quiere tener un hijo.

Mientras patrulla en un campo, Leonid pisa una mina que hace saltar una bengala, señalando el fuego de la artillería hacia la posición de la pareja. Lyudmila se despierta de nuevo en un hospital de campaña, donde Boris le dice que Leonid ha muerto en la emboscada. Aunque está herida y agotada, se le ordena matar a un francotirador enemigo de primera línea para la propaganda soviética. El duelo dura un día entero; cansada de esperar, Lyudmila sale de su cobertura, exponiéndose completamente. Le disparan, pero consigue localizar al francotirador enemigo y matarlo. Mientras Sebastopol es evacuada bajo asedio, Boris lleva a una Lyudmila herida y traumatizada a un submarino que está evacuando la ciudad. Mientras los civiles, presas del pánico, intentan subir a bordo, Lyudmila se da cuenta de que Boris le dio sus propios papeles para abandonar la ciudad. Una voz en off revela que Boris, Masha e innumerables civiles y soldados murieron defendiendo la ciudad de los alemanes.

El historial militar de Lyudmila la convierte en una herramienta de propaganda vital para los soviéticos, que la pasean por todo el mundo para recaudar fondos para la lucha contra el fascismo. Animada por un encuentro con la Primera Dama estadounidense, Eleanor Roosevelt, Lyudmila intenta abrazar su feminidad poniéndose un vestido durante un discurso en Nueva York. Aunque el ministro de propaganda soviético que la acompaña la obliga a volver a ponerse el uniforme del Ejército Rojo, causa una impresión vital en el público, mayoritariamente masculino, al preguntar: "¿No creen, señores, que llevan demasiado tiempo escondidos a mis espaldas?". Tras el éxito del discurso de Lyudmila, el cantante folk estadounidense Woody Guthrie se acerca a ella y acaba escribiendo una canción basada en sus hazañas.

Roosevelt visita a Lyudmila después de la guerra en Moscú, durante un viaje en 1957. Los dos asisten a la ópera junto con el hijo de Lyudmila, que se da a entender que también es de Leonid.