《天下兄弟》故事发生在六十年代初期，家境贫寒的农村孕妇王桂香在地里干活时突然临贫，被路过的军人田辽沈、杨佩佩夫妻相救，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，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，哥哥刘树四处求人，无奈之下只得将妹妹刘草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，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……
