故事发生在2002年的上海，程勇开着一家半死不活的印度神油店，前妻和他离婚后嫁了个有钱人，一直想带儿子移民到国外，这天委托律师和程勇交涉儿子的抚养权，程勇一怒之下对律师大打出手，一不小心还把怀孕的前妻推倒在地，前妻的弟弟曹斌是警察局的刑侦大队队长，得知消息后立马赶来，要不是警局里的同事拦着，早就把程勇暴揍一顿了。
这天邻居给程勇介绍饿了一位客人，吕受益，吕受益患有慢粒白血病，需要吃瑞士诺瓦公司的特效药格列宁来维持生命，但是这种进口药一瓶就要三万七，而药效一致的印度盗版药才两千一瓶，所以他希望常去印度的程勇能帮忙带回来一些，本来程勇不想趟这趟浑水， 无奈父亲因为突发血管瘤住院必须马上手术，只能接下吕受益这单救急。
当程勇来到印度的药厂才知道，两千块那是当地药店的零售价，药厂批发价才五百元一瓶，简直是血赚，程勇当即表示希望成为代理商用批发价拿货，但药厂厂长提出了一个条件，想要拿到代理权，就必须在一个月之内卖完一百瓶药。
程勇回国后，事情进展得并不顺利，程勇和吕受益忙活了几天一瓶药也没卖出去，这时吕受益想起了白血病病友群的群主思慧，思慧在迪厅跳钢管舞，女儿也患有慢粒白血病。通过思慧的努力，第二天她将各大医院的病友群主集合在一起，程勇决定以后就以这种内部消化的方式卖药。一瓶5000元，但是必须保持低调，否则出了岔子谁都没药吃，各个群主还想跟程勇砍砍价，毕竟一瓶药五千块钱也不便宜，但程勇表示，最多给群主每人打八折，否则一切免谈。等着吃药救命的众人最后不得不答应程勇。
为了争取到代理权，获取更多的药，程勇要吕受益找一个会英语的病人，这时吕受益又想到一个人，刘牧师。在程勇又药吃有钱赚，还能救助广大教会病友的诱惑下，刘牧师也上了贼船。
有一天在卖药时，一个黄毛少年从吕受益手里抢走了三瓶药，程勇当然不能吃这个亏，第二天他和吕受益一顿围追堵截抓住了黄毛，原来他也是白血病病人，怕耽误家里，年纪轻轻的就离家出走，抢来的药也分给了同住的病友，程勇见黄毛仗义也没深究，只是让他帮自己卖药还钱，就这样五人小团队正式成立。
因为盗版药供不应求，程勇也成功的拿下了代理权，赚了个盆满钵满，但是，终究纸包是不住火的，因为盗版药流通太广，卖正版格列宁的医药代表选择了报警，局长特派曹斌调查此事，曹斌本来以为就是抓个药贩子，当然义不容辞，当随后调查才发现盗版药并不是假药，真的能治病，但是局长却说，既然是*私走**来的，有没进医疗手册的，那就是假药。
这天程勇给众人分完钱发完药之后，大手一挥表示今晚公司搞团建，一起去思慧工作的迪厅嗨皮一下，众人喝酒时，迪厅经理前来催促思慧上场跳舞，程勇表示思慧今天是客人，要跳经理自己跳，然后在给经理扔钱，之后经理说给你我等着，就上去跳钢管舞了。程勇算是替思慧出了口恶气。
散场后程勇坚持要送思慧回家，思慧也是个明白人，回到家后主动去洗澡，程勇也三下五除二地脱下了衣服，没想到却发现思慧的女儿就站在门外，看这她习以为常的冷漠眼神，程勇瞬间兴致全无，拒绝了主动的思慧，程勇离开以后，思慧也露出了一丝感激和欣慰的笑容。
这天一个吃盗版药的老太太出问题住了医院，家属找到程勇，双方争吵不休，冷静下来后大家想到，老太太有可能吃了别的药出的问题，于是顺藤摸瓜找到了假药贩子张长林，他自称张院士，正在向一帮老头老太太推销所谓的德国格列宁，售价才两千块钱一瓶，众人大闹卖药的会场，揭发了张长林的假药*局骗**，警察赶来时张长林已经跑了，程勇等人被带到警局做了笔录。
随后吕受益邀请程勇去他家吃饭，吕受益说他刚得病时想过自杀，但看到儿子出生以后瞬间就不想死了，就想听儿子叫一声爸爸，吕受益媳妇做了一桌子菜，还满满的敬了程勇一杯，感谢他救了她老公。
晚上张长林居然找到了程勇，他知道程勇在卖盗版药，想花两百万买下代理权，还说程勇再这么卖下去，不出半年肯定被抓，程勇虽然有所顾虑，但还是轰走了张长林。
第二天程勇刚拿到了一批新药，就接到了张长林的电话，说警察立马就到，随后警察果然来店里突击检查，好在提前准备，盗版药没被搜到。
最后程勇深思熟虑之后决定金盆洗手，散伙饭上他告诉大家，以后盗版药改由张长林来卖，价格卖一万，但相比正版药还是便宜了不少，而且他们几人拿药还是 三千一瓶，众人不理解程勇为啥要把救命的药交给一个*子骗**，其实程勇也有自己的苦衷，他上有老下有小不想被抓坐牢，更何况要不是他冒险*私走**，这些人根本不可能买到这么便宜的药，随后黄毛思慧和刘牧师先后感谢了程勇，大家就此诀别各奔东西。
时间转眼来到一年后，程勇开了一家服装厂，这天他去跟客户谈生意时，被吕受益媳妇拦住了，原来张长林后来把药的价格提高到了两万元，病友们吃不起药就把他举报了，张长林已经跑路，药品也被警察没收，断药之后吕受益的情况越来越差，吕受益媳妇求程勇再弄一些印度格列宁救救她丈夫。
医院中吕受益已经病得不成人形了，清创时听着吕受益在病房里痛的哭天喊地，程勇心里是百般后悔五味杂陈，随后他找到刘牧师，联系印度药厂得知，程勇已经没有了代理权，不能拿药，于是程勇打算亲自去趟印度，直接去药店帮吕受益带几瓶药回来，吕受益的身体已经进入急变期，唯一的办法只剩下骨髓移植，虽然手术成功率很低，但是吕受益媳妇依然不愿意放弃这一线希望。
另一边，程勇买完药，但是还是晚了一步，回国后，吕受益已经不在了，他之前为了听孩子叫一声爸爸，选择坚强的活下去，如今也为了不拖累孩子，而选择了自杀。
因为吕受益的死，程勇决定重新开始卖药，尽管诺瓦公司已经起诉印度政府，要求禁止生产盗版药，但厂长表示他会一直支持程勇，给他供药。
程勇找到思慧，再次把病友群群主集合到一起，让他们回去统计人员名单，这次的药他一分不多赚，一瓶只卖五百元，黄毛听到消息后主动回来帮助程勇，另一边警方一直在追捕张长林，在大规模地毯式调查中，警方在一个白血病互助会搜出了盗版药并予以没收，众人也被带回饿了警局，曹斌劝大家积极配合，说出药贩子的信息，但一位大妈求警察别再追查印度药了，这药到底是不是假药他们比谁都清楚，她病了三年，吃进口药吃垮了家里，现在药贩子卖的盗版药才五百块钱一瓶，药贩子根本不赚钱。
“谁家能不遇上个病人呢，你就能保证你这一辈子不生病吗？你把他们抓走了，我们都得等死，我不想死，我想活着，行吗？”
曹斌心软放走了所有人，他跟局长求情暂时缓一缓追查盗版药，但是局长表示人民警察作为执法者，必须站在法律的一边。
这天，潜逃的张长林找到程勇要跑路费，程勇多给了他十万，让他对盗版药的事守口如瓶，张长林知道程勇这次卖药压根不赚钱以后，劝了他一句：“我卖药这么多年，发现这世上只有一种病，穷病，这种病你没法治，你也治不过来，算了吧”
张长林最终还是被警察抓捕归案，他也仗义了一把，并没有供出程勇，但是曹斌在翻阅张长林案底的时候，发现程勇当年留下的笔录，出于警察的敏感，第二天曹斌找到程勇问话，此时程勇故意摆出一副奸商嘴脸，说自己服装厂一个月赚几十万，何必冒着坐牢的风险去做亏本生意呢。
到了晚上，程勇和黄毛一起开车去拉药，黄毛听了程勇的建议，剪了长发准备过两天回老家看看父母，搬药过程中黄毛去了个厕所，回来以后发现警察已经赶到码头，黄毛立马跑了回去，趁程勇不注意独自开车引开了警察，但随后却被侧面冲出来的卡出迎面撞上，最终黄毛重伤不治身亡。程勇得知了消息赶到医院，像疯了一样把曹斌按在墙上：“他才二十岁，他就想活命他有什么罪！他有什么罪！他有什么罪！”
因为黄毛的死，曹斌请示局长决定退出此案的调查，另一边印度药厂因为面临起诉，不得不暂停生产药物，但厂长表示，他愿意从药店回*药收**物继续卖给程勇，零售店的价格是两千，但程勇依然还是卖五百元，剩下的差价他自己来补，程勇还让思慧联系了很多外省的病友，这样卖一个月他至少要倒贴几十万，接着程勇把儿子送出国，准备孤注一掷，终于这天晚上程勇在给病友送药时，被守候已久的警察一举抓获。
法庭上程勇承认了自己的错误，虽然现在依然有很多人吃不起正版药，但他相信以后会越来越好，而他也希望那一天早点到来，因为程勇*私走**盗版药的主观意愿是想救人，并不是盈利，法院宽大处理只判了他五年，在被押送入狱的路上，曾经获得过程勇帮助的白血病患者，纷纷自发来给他送行。
程勇一案受到了政府部门的高度重视，他也获得减刑提前释放，政府持续推动医疗体制改革，正版药进了医保，大批慢粒白血病患者得到了救助。
《我不是药神》根据真人真事改编，但与电影不同的是，现实中陆勇是一位白血病患者，他没有靠卖药赚钱，一直都是在自己买药的时候给病友们无偿代购，电影中的程勇则是从一个唯利是图的奸商，成长为一个舍己救人的“药神”。