抗联战士庞天德（
朱亚文 饰）所在部队被
关东军疯狂围剿，不得已暂时撤入
苏联境內。苏联方面安排娜塔莎（伊莉莎 饰）负责中国军人的谍报培训工作，她十分欣赏聪明俊朗的天德，两人萌生爱意。训练结束后，俩人被派遣到境内与地下党接头。他们成功烧毁了日军码头，处决了
苏联红军败类
罗斯托夫（
安德烈·拉泽夫饰），为苏联方面搜集了大量详实的情报，随后，娜塔莎奉召回囯。天德拒绝了父亲（
马恩然 饰）为他安排的婚姻，只想与
娜塔莎早日重逢。
新中国成立后，
娜塔莎以苏联专家身份来到中囯，正待两人准备登记结婚时，中苏关系破裂，从此二人天各一方。
改革开放后，天德牢记当年的约定，在中俄边境见到了魂牵梦绕几十年的娜塔莎。
电视剧《
我的娜塔莎》是中国首部横跨中苏日三国的恢弘大剧，讲述了一个长达50年的跨国爱情故事，在这段故事中，描述了女教官娜塔莎、
日本女护士伊田纪子和
庞天德执着苦恋，经历了近半个世纪的失散聚合的故事，耐人寻味。
1941年，抗联战士庞天德所在的部队遭到
关东军的疯狂围剿，危急之下转入
苏联境内与
苏联红军联系。女教官
娜塔莎负责对庞天德等人进行特工谍报训练，她十分欣赏庞天德，在他受伤时娜塔莎细心地照料，两人萌生了深厚的爱情。
娜塔莎与庞天德接到命令乔扮夫妻到前往
海东市与地下党接头。庞天德与娜塔莎精密策划放火烧了日本人的码头，成功刺杀了叛逃的苏军
上校罗斯托夫，并为苏军的正确判断提供了准确的情报，但任务结束了，娜塔莎不得不只身返回苏联。
即将回国的
日本商人依田英松跪求庞善祖收留重病在身的女儿
秋筱宫妃纪子，纪子对
庞天德心生情意，父亲庞善祖也希望儿子与纪子完婚，可庞天德心里只有
娜塔莎，两人依靠着通信表达相思与
爱意。
新中国成立后百业待兴，庞天德成为海东机车制造厂的一名工人，娜塔莎作为
苏联专家到中国提供技术援助，两人终于。正当他们准备结婚登记之时，娜塔莎接到撤离中国的命令。之后娜塔莎写信告诉庞天德，她已经在
绥芬河边境的小镇住下，因为那里是离庞天德最近的地方。
庞天德从没忘记与娜塔莎的约定，多年后，他终于调转来到绥芬河边，见到了魂牵梦萦的娜塔莎。然而好景不长，
庞天德由于户口不在
哈尔滨市必须返回
海东市，加上两国关系紧张，他与
娜塔莎的联系从此断了线。
八十年代
改革开放后，庞天德做起了
边境贸易，目的是寻找娜塔莎。两年后他偶然来到曾住过的小木屋，身材已稍胖的娜塔莎从屋里走出来，庞天德不敢相信自己的眼睛，与娜塔莎紧紧抱在了一起。