南水北调中线工程动工，董望川被任命为南水北调中线工程的副指挥兼总工程师。然而正在此时的用人之际董望川的得力助手江浩因生活所迫为了利益放弃南水北调工程建设，董望川家乡是南水北调中线工程水源地丹阳市，为此他力荐自己的妻子但遭到了埋怨。他的妻子在任期间为保护槐树村的祖坟，建议搬移烈士墓园打动了村民们，获得大家的肯定顺利完成移民工作。
污水治污上，董望川的妻子周晓丹拿他的堂弟开刀，遭亲人唾骂却坚持工作，最后为其争取了丰厚的补偿并鼓励开展绿色工业。另一方面江浩并没有放弃南水北调的工程，他作为河海水利建设工程公司的代表担任“穿黄”项目部经理兼技术总监。江浩将重病的父亲接到工地宿舍，一边建设一边照顾父亲。为了给父亲筹医药费，他在缺氧的情况下抢修盾试机并完成前所未有的突破。北京四环暗涵工程最关键的节点就是下穿五棵松地铁站工程，董望川提出创新技术，在专家们的质疑下，担当起责任开创新技术。
林子彤负责地下指挥，和工人们一起冒着生命危险工作。董望川则在地上与工人们并肩作战，然而就在五棵松暗涵即将打通时，董望川妻子周晓丹在视察工作时心脏病突发，但是董望川并没有陪伴在他妻子身旁，而是继续在工程一线陪着工人们，直到暗涵工程成功，他才去陪伴着妻子。在这时，周晓丹和董望川释前嫌相互谅解，林子彤则与江浩正式交往，并在工地现场举行婚礼。
“南水北调”是一项举世瞩目的大工程，要想通过仅仅100分钟的电影细致了解显然不可能。影片聚集了工程形成过程中最牵动人心也最触及人利益关系冲突的源点——搬迁，以此为重点，再现了国家大家和小家的轻重关系，以情动人，以爱暖人，爱感大海，情通大河，《天河》紧紧围绕情与爱，生动地再现了党民鱼水之情，官民船水之爱。
老百姓是天，老百姓是地，老百姓是共产党的永远挂念，老百姓是山，老百姓是海，老百姓是共产党生命的源泉，歌曲《江山》这样唱道。影片《天河》也深深凸显这歌词所蕴含的的独具魅力。