清朝末年，列强入侵，民生多艰。津门霍元甲，出生武学世家，在家学基础上，独创迷踪拳，一心想跟京城的大刀王五比武，以便决出雌雄。这时正逢戊戌变法失败，王五劝说谭嗣同逃离京城，却被拒绝。谭嗣同终为善扑营抓捕。霍元甲和徒弟高奇、许大有以及小伍，在路上拦住大刀王五，质问其为什么爽先前定下的比武约定。王五无心恋战，卖了破绽认输。霍元甲知道自己并没有取胜，一路跟随王五。善扑营首领鹰四本名吕四鹰，是鹰爪门的败类，他带人袭击了王五住所。霍元甲出手，救下寡不敌众的王五。霍元甲通过在京城牢狱当差的大弟子刘振声，得知谭嗣同等人将在数日后被杀，鹰四则在大牢设下埋伏。王五组织人劫牢，迫近地点时被霍元甲制止。王五并不相信霍元甲的话，所以在大牢附近留了人，最后却真见善扑营的伏兵。王五要求报答霍元甲，后者还是提出两个人比武。苍山塔林，京津两大高手刀枪对决，王五最后却要求义结金兰。刘振声看出了王五与霍元甲结拜的真正意图，正是想通过自己狱卒的身份救出谭嗣同，当刘振声向霍元甲说明时，岂料霍元甲早已得知此事。

其实比武时，王五就跟霍元甲讲明，想通过牺牲自己换取谭嗣同脱险，可当时被霍元甲否定。霍元甲决心陪王五一起营救谭嗣同。两个人通过刘振声进入大牢，可谭嗣同再次拒绝逃走。僵持中，谭嗣同做出妥协，叫王五到住处去取隐藏的圣旨，如此他才肯走。霍元甲独自面对谭嗣同，显得十分尴尬。谭嗣同见霍元甲气表不凡，又为武林高手，便趁机启蒙，指出复兴民族，仅靠公卿自上而下的变法是不够的，还需各行各业的奋起，武林中人亦有责任，即通过习武强健国人体魄，改变颓靡的面貌。霍元甲对谭嗣同更是崇敬。不过，虽意识到一味地想比武分高低有些狭隘，但有些道理还是一时难以接受。谭嗣同向霍元甲密语，希望对方成全他。王五取圣旨回来，却被霍元甲一掌打晕。回过神的鹰四直奔大牢，却见只有谭嗣同一人面壁，吟出“我自横刀向天笑”的铮铮诗篇。菜市口，谭嗣同等六君子就义。飞马赶来的王五终于迟了一步，他不顾危险给谭嗣同收尸，并不原谅有苦难言的霍元甲。两年后已是庚子年，津门霍家波澜不惊，唯一的响动是做父亲的霍恩第催着霍元甲成亲，霍家上下准备霍元甲的婚事。

可就在这个节骨眼上，八国联军大举进犯，一时间京城陷入混乱。霍元甲大喜之日，刘振声赶来告诉师父：王五带人围攻教堂，最终遭洋人和清兵反扑而被捕。霍元甲心急如焚，不顾新婚而带着徒弟策马北京，结果被父亲和哥哥霍元栋追上。霍元甲被迫跟霍恩第过招。霍恩第没想到霍元甲的迷踪拳已如此精湛，更暗自欣赏儿子的节义，便有意成全，尽在不言中。被父亲鼓励的霍元甲，赶到京城朝阳门，却见王五大哥已死，头颅悬挂在城门。悲痛万分的霍元甲大战鹰四，结果并没有如愿抢回人头，多亏阿发的舅舅农劲荪暗助才脱险。不过，高奇众徒弟并不领情，对阿发有给日军做翻译的亲戚而感到气愤。农劲荪其实有着革命党的身份，他也在策划夺取王五人头的行动。霍元甲知农劲荪并非一般人，于是主动相见。霍元甲与农劲荪联手，最终义夺王五老英雄的人头，引起京津江湖的轰动，名声更盛。给王五下葬时，霍元甲留下了大刀作为纪念。农劲荪劝霍元甲跟自己远走，积蓄力量以求推翻清廷。霍元甲对农劲荪加以呵斥，他认为明君一定会出现。农劲荪无法说服霍元甲，两个人只好天涯作别。

长城脚下，霍元甲遣散了刘振声、高奇、许大有和小伍等人。回天津的路上，霍元甲遇到哥哥霍元栋，后者叫他不要再回家，到东光老家躲一躲。霍元甲担心父母的安危，霍元栋却说家里没事。其实，鹰四已经包围霍家，霍恩第要跟这个武林叛徒算总账。霍元甲的新婚夫人王氏一番言语，竟然喝退了鹰四的重兵。郊外的破庙，霍元甲与不愿离去的几个徒弟重逢。霍元甲还是不愿跟大脚王氏结婚，霍恩第枪打儿头，要其立即在祖宗祠堂完婚，然后带着妻子逃离天津。霍元甲跟王氏在祠堂成亲，就在这时鹰四带着洋人赫尔曼、山本等再次包围霍家。霍恩第要霍元甲保护母亲、妻子、大嫂以及孩子等从密道逃走，自己则准备带着霍元栋大战鹰四。

霍元甲带家人逃出，却听到家的方向传来厮杀声和枪弹声。霍元甲要去救父，终被含泪的母亲拦住。霍母叫儿子明白当爹的一片苦心。鹰四判断出霍家有密道，但终为霍恩第所阻。激战中，霍恩第和儿子霍元栋双双惨死。霍元甲还是跑回家里，发现父亲、大哥都已身亡。鹰四跟赫尔曼、山本在驿馆大摆宴席，他知道霍元甲一定会来复仇。霍元甲安置好家人，拒绝众徒弟跟随，手持霍家枪、身背王五刀，只身前往驿馆寻仇。驿馆内已经被鹰四设下天罗地网，霍元甲先后与四死囚，日本人山本，德国人赫尔曼以及鹰四七人打斗，最终精疲力尽寡不敌众，败于鹰四手下，正当性命垂危之际，农劲荪带领霍门众徒弟以及革命党人，救出霍元甲。十余日后，在破庙中栖身的霍元甲已恢复元气，当晚约见了农劲荪。