电影《千里寻梦》讲述了原国家女篮教练刘振华的感人故事。刘振华毕生致力于体育事业，晚年却因患脑瘤被迫离开工作岗位。为了迎接亚运盛会，也为了让自己的生命再次绽放光芒，他踏上了一场千里的奔跑，从上海跑步前往北京，为亚运会进行募捐。

在香港电视台播放了刘振华参加单人马拉松的新闻后，鸿祥公司董事长田洁青被深深感动。41年前，田洁青在父亲的威逼和谎言下与香港商贾陈百川结合，而她当时已怀有刘振华的骨肉。看到刘振华的身影，让她深切怀念起那段曾经的爱情。

然而，陈百川却对这个突如其来的消息感到愤怒，夫妇二人因为这段往事再度陷入了深深的痛苦中。田洁青下定决心要千里寻找刘振华，但在赴机场的途中，她却被绑架。与此同时，陈百川飞往大陆寻找刘振华。

刘振华多年的期盼却化为泡影，儿子已经离世，亲孙女敏敏对他陌生。面对陈百川的哀求，他选择默默离去，踏上了新的征程。在这段旅途中，他结识了推销加克鞋的何海洋和伤残人运动会游泳冠军李加克。何海洋因感情问题陷入低谷，但在刘振华的鼓舞下，他找回了重振生活的勇气。而参加马拉松的李加克则领悟到人生的真谛。