En 1937, Japón invade China, iniciando la Segunda Guerra Sino-Japonesa. El Ejército Imperial Japonés invade la capital china, Nanking, en diciembre y lleva a cabo la masacre de Nanking. Mientras los japoneses arrollan al ejército chino, unas colegialas desesperadas huyen al santuario de su convento en una catedral católica romana administrada por Occidente. John Miller, un agente funerario estadounidense encargado de enterrar al cura principal, se une al grupo de colegialas inocentes. Encuentra a George, un niño huérfano que fue criado por el sacerdote muerto y al que enseñó inglés. Pronto llega a la catedral un grupo de prostitutas extravagantes que buscan refugio escondiéndose en el sótano. Fingiendo ser un sacerdote, Miller intenta mantener a todos a salvo mientras repara el camión del convento para escapar.

Después de un incidente en el que fuerzas japonesas rebeldes asaltan la catedral (que luego son asesinadas por el esfuerzo agónico de un solitario mayor chino), el coronel japonés Hasegawa promete proteger el convento colocando guardias fuera de la puerta y pide que las colegialas canten una coral para él. Varios días después, le entrega a Miller una invitación oficial para que las colegialas canten en la celebración de la victoria del ejército japonés. Temiendo por la seguridad de las vírgenes colegialas, Miller se niega. Hasegawa le informa de que es una orden y que las chicas serán recogidas al día siguiente. Antes de partir, los soldados japoneses cuentan a las colegialas e incluyen por error a una de las prostitutas (que se ha extraviado del sótano), sumando un total de 13.

Cuando la líder de facto de las colegialas, Shu Juan, las convence de que es mejor que se suiciden saltando desde la torre de la catedral, se salvan en el último momento cuando la líder de facto de las prostitutas, Yu Mo, convence a su grupo de proteger a las colegialas ocupando su lugar en la fiesta japonesa. Como sólo hay 12 prostitutas, George, el hijo adoptivo del sacerdote muerto, se ofrece también como voluntario. Miller se opone inicialmente a su decisión de auto-sacrificio, pero cede y ayuda a disfrazarlas, utilizando sus habilidades como funerario para ajustar su maquillaje y cortar su pelo para que parezcan colegialas. Las prostitutas también crean cuchillos a partir de ventanas rotas y los esconden en sus capas.

Al día siguiente, las "13 Flores de Nankín" son conducidas por los desprevenidos soldados japoneses. Cuando se marchan, Miller esconde a las colegialas en el camión que ha reparado y, con un permiso para una sola persona proporcionado por el padre de una colegiala, sale de Nankín. En la última escena, se ve al camión conduciendo por una carretera desierta en dirección al oeste, lejos del ejército japonés. Se desconoce el destino de los 13 Flores, que aparentemente se martirizaron por la libertad de las escolares.