Натка Шегалова мечтает стать капитаном парохода или лётчицей, однако её направляют работать пионервожатой в пионерский лагерь «Артек». Девушка не испытывает радости от этой деятельности и чувствует себя не на своём месте. По дороге в лагерь она встречается со своим дядей, полковником Шегаловым, героем гражданской войны, который успокаивает Натку, советуя ей учиться, не бояться и со временем всё получится.

В поезде Натка знакомится с мужчиной, который едет вместе со своим шестилетним сыном Алькой. Мальчик держит в руках прошлогодний журнал с фотографией комсомолки Марицы Маргулис, которая, будучи беглянкой с каторги, была поймана и убита в кишинёвской тюрьме.

В лагерь прибывают дети со всей страны. Между Владиком и Толькой завязывается дружба. Владик гордится своей сестрой-коммунисткой, находящейся в польской тюрьме, и вместе с Толькой мечтает помочь ей сбежать. Во время обследования окрестностей лагеря ребята находят развалины старой крепости, в которой обнаруживают лаз, который решают исследовать позже.

В это время на водопроводе «Артека» происходит авария. Для её устранения приезжает инженер Ганин, который оказывается попутчиком Натки в поезде. Его сына Альку временно размещают в комнате Натки. Для ускорения ремонта необходим динамит, и Ганин обращается к своему знакомому из ЦИК Гитаевичу, чтобы тот направил запрос в Москву.

Воспользовавшись тем, что лагерь готовится к большому пионерскому костру, Владик и Толька отправляются исследовать лаз. Не обнаружив там ничего интересного, они выходят из крепости и замечают, как в неё незаметно входит незнакомый человек. Мальчики встречают также Ганина, который просит передать записку начальнику лагеря.

Алька привязывается к Натке, но молчит, когда она спрашивает о матери. Однажды мальчик рассказывает Натке сказку, которую она затем пересказывает октябрятам. В сказке повествуется о Мальчише-Кибальчише, который вместе с друзьями помогал Красной Армии бороться с врагами, в то время как один из мальчиков, Плохиш, служил буржуинам и пытался им помочь. Несмотря на пытки и допросы, Мальчиш-Кибальчиш не раскрывает «Военной Тайны», которую знает только Красная Армия, и погибает, став символом стойкости и преданности.

На участке восстановительных работ происходит кража: пропадают деньги, оружие, документы и ведомости. Кроме того, рабочие роют землю не в тех местах. Инженер Ганин замечает подозрительного пьяного мужчину на участке.

В лагере продолжается подготовка к большому костру. Натка встречает Гитаевича, знакомого дяди, и представляет ему Альку. Пока Ганина нет, мальчик убегает его искать. Натка узнаёт, что матерью Альки была отважная комсомолка Марица Маргулис.

Ганин работает на участке и подозревает одного из бригадиров, Шалимова, в махинациях. Возвращаясь в лагерь, он слышит выстрел. Владик и Толька опаздывают на костёр, при этом Толька с травмами, а Владик отказывается объяснять случившееся. Натка упрекает мальчиков перед остальными. Защищая друга, Владик вступает в драку с незнакомцем. Окровавленную рубашку он стирает в море, что Натка воспринимает как нарушение правил. Алька рассказывает отцу правду, и Ганин заступается за Владика перед начальством.

Ганина срочно вызывают в Москву. Натке тяжело расставаться с Алькой, который доверяет ей военную тайну: он видел мать живой на протяжении недели, когда та сбежала из тюрьмы.

В тире лагеря, где Ганин встречает Владика, к нему приходит старший десятник Дягилев с просьбой подписать документы. Владик сообщает, что Дягилев прячет оружие в крепости. Мальчики случайно произвели выстрел, который услышал Ганин. Дягилева задерживают.

По возвращении в лагерь Ганина останавливает брат Дягилева, пьяница, работающий на восстановлении. В отместку он бросает камни в Ганина. Один камень попадает в Альку, и мальчик погибает. Весь лагерь собирается на похороны мальчика на скале у моря.

Ганин и Натка возвращаются в Москву, где их встречает полковник Шегалов. Ганин уезжает на Дальний Восток, оставляя Натке фотографию с изображением Альки и Марицы Маргулис. Натка приходит к пониманию, что её место именно здесь — в воспитании достойного поколения.