这段故事描述了1944年中国东北一个孤独的铁路小站上发生的事情。小站只有三个人：站长、他的妻子和一个扳道工人大崔。由于被迫为日本人工作，他们的生活充满了困苦和压力。某一天，一列火车运送了一个负伤的日本上尉浩太郎和他的小马夫以及一个中国孤儿大头辫。不知道原因，浩太郎酷爱种植向日葵，他在小站周围种下了大量的向日葵，并用心照料。他希望通过向日葵的种植来彰显自己是个英勇的日本军人。 为了显示他的英雄形象，浩太郎强迫强壮的大崔与他比武，大崔在站长的默示下故意输给了浩太郎。这使得浩太郎感到屈辱，他开枪打伤了大崔。大崔发誓要亲手杀死浩太郎。在一次意外中，小马夫不小心碰掉了浩太郎的乐器，浩太郎便剪掉了他的辫子，这代表着他的家族和身份。小马夫因仇恨而愤怒，企图在为浩太郎洗澡时用开水烫死他。一个秋天的日子，当向日葵盛开时，浩太郎疯狂地用刀乱砍向日葵。站长的妻子恰巧目睹了这一幕，上前劝说，却差点遭受强暴。她奋力挣扎才得以逃脱。这一事件激怒了一向老实本分的站长，他拿起菜刀冲向浩太郎所住的地方。秋天过去，小站上唯一的日本军人浩太郎死在了浴盆中。日本宪兵队派人来调查他的死因。在审讯过程中，揭露出由于浩太郎渴望和平、安静的生活，并对现实感到绝望，最终选择了自杀。
