南宋末年，赤练仙子李莫愁（孟广美饰）在江南一带找昔日恋人陆展元（胡东饰）寻仇。大侠郭靖（王洛勇饰）与妻子黄蓉（孔琳饰）在帮忙救助陆展元一家时，发现了乞丐少年杨过（叮当饰）是其结拜兄弟杨康之子，于是带他回到桃花岛并送到了全真教学艺。成年后的杨过（黄晓明饰）在全真教中受尽欺辱，幸亏得到了古墓派传人小龙女（刘亦菲饰）的搭救，从此以后杨过便拜在小龙女门下，并与她开展了一段旷世绝恋。与此同时，郭靖的两个女儿郭芙（陈紫函饰）与郭襄（杨幂饰）都阴差阳错的喜欢上了杨过，但却给杨过带来了不同的命运。与此同时蒙古大军对南宋山河虎视眈眈，杨过面对国仇家恨以及儿女情仇，终于从浪荡少年变成了一代神雕大侠，苦等16年后与小龙女也最终修成正果。
南宋末年，赤练仙子李莫愁（孟广美 饰）因爱成恨，找昔日恋人陆展元寻仇，不想陆展元早已去世，李莫愁迁怒陆门，欲将陆门九人全部杀死。杨过（黄晓明 饰）遇见了正在逃跑的程英和陆无双，便施计将二人救走，不料李莫愁随后追至。危难时黄药师赶到，只救下了中毒的程英,陆无双被李莫愁使暗计掳走。杨过从小父母身亡，被父亲生前结义的兄弟郭靖（王洛勇 饰）带上终南山全真教学武。全真教将对郭靖的仇恨都报复在杨过的身上，杨过在这里受尽耻辱，得到了古墓派传人小龙女（刘亦菲 饰）的搭救，从此以后杨过便拜在小龙女门下。
小龙女和杨过共同练武生活了四年，渐渐产生了情愫。他们二人在花丛中赤膊练功，赵志敬和甄志丙经过此处，小龙女因为他们的打扰，受了很重的内伤。接着李莫愁（孟广美 饰）堵住古墓，向杨过和小龙女索要自己丢失的心经，虽然古墓被李莫愁堵住，但是杨过和小龙女在密室里找到了密道和《九阴真经》，于是他们沿着密道离开古墓，此后在终南山的一处山谷里练习武功。在他们练功的时候，欧阳锋发现了小龙女，便误点了小龙女的穴道，甄志丙趁机将小龙女奸污，而小龙女误以为是杨过所为还不承认，与他发生误会，生气的离开古墓。
曾传授杨过和他的母亲穆念慈武功的洪七公和欧阳锋在比试内功，恰巧被杨过碰到，之后二人精力耗尽而死。把他们二人安葬之后，杨过来到了英雄大会，在会上偶遇到了小龙女。小龙女向大家表示自己要答应杨过要做他的妻子，然而却受到了大家的反对，二人生气离去。杨过和小龙女在路上遇到了黄蓉母女，黄蓉（孔琳 饰）告诉小龙女，他们二人无法长久地在一起，小龙女便悄然离去。
杨过又开始四处寻找小龙女，却偶然得知自己父亲的死和黄蓉郭靖有关，决心要为父报仇。杨过和金轮法王一起到蒙古人营中，二人合谋杀郭靖夫妇。杨过得知小龙女可能在绝情谷，于是来到了绝情谷，却被告诉了小龙女即将与谷主公孙止成亲的消息。杨过表示自己死也要留在绝情谷陪小龙女，两人冰释前嫌，然后小龙女拒绝了公孙止的婚约。公孙止要与他们一决高下，在打斗期间，杨过被情花刺伤，公孙止以解药作为要挟，小龙女便答应了公孙止的婚约。公孙止的女儿绿萼暗暗喜欢杨过，便与杨过去丹房偷解药，公孙止发现后，一气之下就把他们推下鳄鱼潭。杨过和绿萼在找到出口时，碰到公孙止原配妻子裘千尺，他们在逃出鳄鱼潭后，来大闹公孙止的婚礼，逼走了公孙止。接着裘千尺便要杨过杀了黄蓉和郭靖换解药，杨过一心想着为父报仇，就一口答应下来。
杨过和小龙女计划刺杀郭靖，但郭靖豪迈侠义的作风和为人真诚打动了杨过，多次救下郭靖。几天之后，郭襄（杨幂 饰）顺利出生。黄蓉把郭襄交给小龙女，麻烦她好好照顾，可没有想到，李莫愁抢去了郭襄，杨过担心李莫愁会伤害孩子，就一路追寻。在山洞口，杨过发现武家两兄弟为郭芙要决一死战，武三通要杨过劝服他们两个人，杨过便假言自己要娶郭芙，正好被赶来的小龙女听到了，再次伤心远去。在襄阳，小龙女知道了自己是被甄志丙奸污的，于是开始追杀赵志敬和甄志丙。在追杀的路上，她救了被金轮国师陷害的周伯通，周伯通教小龙女左右互搏来报答她的救命之恩，因祸得福，小龙女便掌握了一人使用玉女心经的诀窍。
郭芙把武家兄弟不理她这件事情迁怒于杨过，一气之下砍断了杨过右臂。杨过在神雕的细心照顾下，身体很快就痊愈了，还跟着神雕练成了重剑。杨过回到古墓，发现小龙女被全真五子围攻，便立马救下了小龙女，两人误会解除，并在古墓成亲。杨过用自己的内功为小龙女疗伤，在关键时刻李莫愁突然出手，导致小龙女的伤情更加严重。小龙女意识到自己命不久矣，想和杨过离开古墓去外面看看世界，两人来到秦岭山脉，偶遇了一灯大师，他将灵药赠送给小龙女，与二人一起去绝情谷找天竺僧救治。绿萼为杨过偷来解药，却被公孙止抢走，绿萼将公孙止和李莫愁的诡计告诉了大家，公孙止知道了这件事，就害死了绿萼。裘千尺看见女儿被害，便和公孙止一起坠落天坑，李莫愁看事无转机又身中剧毒便死于火海。虽然找到了绝情丹，但是杨过不想自己一个人独活，就把绝情丹扔下了断肠崖。可小龙女不愿再拖累杨过，跳进了断肠崖。
第二天，杨过哭着跑到断肠崖，看见了小龙女的字迹，与他约定十六年后相见。又听说了南海尼神的神话，便喝下解药。之后杨过向陆无双传授玉女心经，又到神雕处修炼武功，因行侠仗义，被大家称为神雕大侠。十六年后，郭襄长大成人，因机敏聪明、豪爽侠义受到江湖人的称赞。终于等到了第十六年，小龙女一直没有出现，杨过绝望地跳下绝情谷，竟在谷底发现了十六年前跳下谷的小龙女。原来小龙女没有死，伤势也慢慢好起来，只是找不到回去路。两人一同回到崖上，得知蒙古皇帝围攻襄阳，杨过小龙女立即现身在襄阳，杀死了蒙古皇帝，解了襄阳十几年的围困。帮助襄阳解围之后，小龙女和杨过便告别众人，悄然隐退。