《天下兄弟》讲的是双胞胎兄弟刘栋(聂远 饰)与田村(吴健 饰)一出生便被分开，一个在农村土生土长，一个进入高级军官家庭。两人阴差阳错成为对手，甚至喜欢上了同一个女孩。但在紧要关头，他们却不惜牺牲自己的生命来拯救对方。故事发生在六十年代初期，家境贫寒的农村孕妇王桂香(丁嘉丽 饰)在地里干活时突然临贫，被路过的军人田辽沈(杜源 饰)(杜源 饰)、杨佩佩(高瑜 饰)夫妻相救，顺利产下一对双胞胎。已一儿一女的王桂香为了将双胞胎中的哥哥养活，无奈将弟弟送给因伤不能生育的田辽沈夫妇，后来两家人失去联系，两个双胞胎兄弟天涯殊途……十八年后，两兄弟在不同环境里长大，哥哥叫刘栋，弟弟叫田村，同一年两兄弟报名参军，竟然被分到了一个连队，史弟俩咫尺天涯相逢却不相识。部队里，两个亲兄弟在竞争中开始了新的生活，田村训练成绩非常出色，而刘栋的文学才华也在部队里得以发挥。两兄弟关系既疏远又亲近，竞争成为联系他们“友谊”的纽带。两兄弟都喜欢上了高，干，子女石兰(王力可 饰)，石兰喜欢刘栋的才气，但田村的介入让刘栋自卑的退出……当初为了刘栋顺利参军，哥哥刘树(董勇 饰)四处求人，无奈之下只得将妹妹刘草(张笛 饰)嫁给村长的无赖儿子，后刘草被村长儿子恣意欺凌，终在一次争执中，刘树不堪妹妹受辱，失手误杀了村长儿子，被判处无期徒刑，刘家上下陷入悲痛之中。在与石兰的爱情受挫和家庭的磨难之下，失落的刘栋遇到了因受伤而复员的柳三环(韦玮 饰)，日久生情，终于喜结连理，田村也和石兰结了婚。在一次突发的山区救火中，石兰为掩护伤员而牺牲，田村冒死救出了刘栋，自己的眼睛却被大火烧伤，几近失明；在一连串的变故中，母亲王桂香终于知道田村就是自己当年送给人的另一个儿子！王桂香坚守当年的承诺；不与田村相认，但为了田村，王桂香和狱中的刘树都争着要给田村献角膜，此时，田辽沈夫妇也为刘家所做的一切而感动不已，准备将一切真相告诉田村……

那是一个午后，大肚子的孕妇王桂香(丁嘉丽 饰)突然要临盆，昏厥在路边的大榆树下。也许一切的故事都开始于巧合，部队某军官田辽沈(杜源 饰)(杜源 饰)、杨佩佩(高瑜 饰)夫妇正好开车经过王桂香的身边，身为护士的杨佩佩果断地把王桂香送到了她所工作的部队医院。王桂香很争气，一口气生了个双胞胎！杨佩佩在向王桂香丈夫刘二嘎道喜的时候，内心充满了落寞和叹息！她和田辽沈结婚多年，却始终没有孩子，领养一个属于自己的孩子成了杨佩佩心底最大的期待！一切似乎顺利成章，由于家庭的贫困，王桂香将双胞胎中的老二送给了田辽沈夫妇，然后自己带着双胞胎中的老大回到了乡下。那个送给田家的孩子取名叫做田村(吴健 饰)；而那个农村的孩子，则叫刘栋(聂远 饰)。王桂香终于憋不住，将其中一个孩子送给田家的事告诉了刘二嘎。刘二嘎一听犹如五雷轰顶，他固执的认为只要是一家人，即使饿死也要死在一块儿，他决定去城里抱回自己的亲身骨肉！在田家的一晚，刘二嘎和王桂香真真切切地看到了田家对小田村无微不至的爱和巨大的不舍，再联想到自家的困难处境，两个人悄悄地离开了田家。自此之后，田村成了王桂香一生的牵挂……