"Những ngôi sao xa xôi" kể về cuộc sống chiến đấu của ba cô thanh niên xung phong – tổ trinh sát mặt đường – Phương Định, Nho và chị Thao. Họ sống trong một cái hang,trên cao điểm tại một vùng trọng điểm ở tuyến đường Trường Sơn những năm chống Mỹ. Công việc của họ là quan sát máy bay địch ném bom, đo khối lượng đất đá để san lấp hố bom do địch gây ra, đánh dấu những quả bom chưa nổ và phá bom. Công việc nguy hiểm, luôn phải đối mặt với cái chết, nhưng cuộc sống của họ vẫn không mất đi niềm vui hồn nhiên của tuổi trẻ, những giây phút thảnh thơi, thơ mộng. Họ rất gắn bó, yêu thương nhau dù mỗi người một cá tính. Trong một lần phá bom, Nho bị thương, hai người đồng đội hết lòng lo lắng và chăm sóc cho Nho. Một cơn mưa đá vụt đến và vụt đi đã gợi trong lòng Phương Định bao hoài niệm, khát khao.

Tổ trinh sát mặt đường gồm có ba cô gái: Thao, Nho và Phương Định. Họ ở trong một cái hang dưới chân cao điểm. Con đường qua trước cửa hang bị bom đạn đánh lở loét, màu đất đỏ, trắng lẫn lộn. Không có lá xanh, thân cây bị tước khô cháy. Những tảng đá to, một vài thùng xăng hoặc thành ô tô méo mó, han gỉ nằm trong đất.

Việc làm của họ chẳng đơn giản. Khi có bom nổ thì chạy lên cao điểm, đo khối lượng đất lấp vào hố bom, đếm bom chưa nổ nếu cần thì phá bom. Bị bom vùi luôn, cả ngày chạy và bò trên cao điểm lúc về hang chỉ thấy hai con mắt lấp lánh, hàm răng loá lên khuôn mặt nhem nhuốc. Những lúc đó, các cô gọi nhau là “những con quỷ mắt đen".

Trời nóng trên 30 độ.Thần chết là một tay không thích đùa. Hắn ta lẩn trong ruột những quả bom. Thần kinh căng như chão. Đất bốc khói. Tiếng máy bay ầm ì. Chung quanh có những quả bom chưa nổ. Khát nước. Cứ chạy về hang là tu nước suối pha đường, nằm dài trên nền ẩm nheo mắt nghe ca nhạc từ cái đài bán dẫn nhỏ chạy pin.

Phương Định là một cô gái Hà Nội, mới bị một vết thương ở đùi chưa lành miệng. Cô mê hát từ nhỏ, bím tóc dài và mềm, một cái cổ cao, kiêu hãnh như đài hoa loa kèn. Các anh lái xe bảo cô có cái nhìn sao mà xa xăm. Nhiều anh pháo thủ, lái xe hay hỏi thăm cô, hoặc viết những bức thư gửi đường dây.

Thao hay tỉa đôi lông mày, áo lót nào cũng thêm chỉ màu, hễ thấy máu, thấy vắt thì nhắm mắt lại, mặt tái mét, nhưng trong công việc thì cương quyết, táo bạo ai cũng phải gờm.

Nho người bé nhỏ, có cái cổ tròn, trông cô "mát mẻ như một que kem trắng", lúc nào cũng đòi ăn kẹo.

Mỗi ngày, tổ trinh sát mặt đường phá bom đến năm lần, ngày nào ít ba lần. Một buổi trưa im ắng, Phương Định đang hát thì thấy máy bay trinh sát rè rè, phản lực gầm gào lao theo sau. Máy bay rít, bom nổ. Thao cầm thước, Nho chụp mũ sắt đội lên đầu lao lên cao điểm, Phương Định phải ở lại hang trực điện thoại. Bom gào thét chung quanh. Giờ xạ bắn; tiếng 12 li 7 của tiểu đoàn công binh vang lên. Phương Định cảm thấy bên mình có một sự che chở đồng tình. Nửa giờ sau, Thao trở về. Bình thản, mệt lả và cáu kỉnh, vừa lu nước trong bi đông đầy vừa nói: Hơn nghìn khối! Phương Định quay điện thoại về đơn vị báo cáo tình hình. Nho tắm ở khúc suối hay có bom nổ chậm...

Tình hình rất khẩn trương. Đơn vị đang làm đường cho một trung đoàn tên lửa qua rừng. Đêm đến, tổ trinh sát lại ra đường, bám cao điểm, đi phá bom. Định, một quả bom trên đồi. Nho, hai quả bom lòng đường . Thao một quả dưới chân cái hầm ba-ri-e cũ, vắng lặng đến phát sợ. Đất nóng, khói đen vật vờ. Phương Định dùng xẻng nhỏ đào đất dưới quả bom. Cô rùng mình khi lưỡi xẻng chạm vào quả bom, vỏ quả bom nóng. Một dấu hiệu chẳng lành. Hại mươi phút trôi qua, Thao thổi còi, Phương Định cận thận bỏ gói thuốc mìn xuống cái lỗ đã đào, châm ngòi khoả đất, rồi chạy về chỗ ẩn nấp. Hồi còi thứ hai của Thao cất lên, bốn quả bom nổ liên tiếp. Váng óc mắt cay, mùi thuốc bom buồn nôn.

Nho bị thương, máu túa ra từ cánh tay, da xanh đi, mắt nhắm nghiền, quần áo đầy bụi. Thao và Phương Định phải moi đất, bế Nho lên. Vết thương đựơc rửa bằng nước nóng, bông băng trắng. Phương Định tiêm thuốc cho Nho và pha sữa cho Nho uống.

Máy bay trinh sát vẫn nạo vét sự yên lặng của núi rừng. Thao giục Phương Định hát đi rồi Thao hát: Đây Thăng Long, đây Đông Đô... Hà Nội,..