En 1943, l'équipage du « Memphis Belle », bombardier basé en Angleterre, après vingt-quatre missions en Europe occupée, va rentrer aux USA. A la veille de leur dernière mission, ils apprennent qu'une tournée triomphale est organisée dans leur pays. Publicité pour l'armée oblige. Dennis, le pilote, plutôt austère, n'est guère enchanté. Tout comme le commandant anglais de la base, préoccupé par la mission du lendemain. La cible est Brème, en Allemagne, où il s'agit de détruire une usine. Dans le « Memphis Belle », des tensions apparaissent entre Dennis et son co-pilote. Les autres n'ont pas vraiment le moral. Phil, le navigateur, a peur. Les mitrailleurs, Virgil, Eugène, Clay, Rascal, Jack, masquent mal leur inquiétude. Val, le bombardier et Danny, l'opérateur-radio, plus calmes, sont à leur tour gagnés par la peur quand les chasseurs allemands abattent des avions de leur escadrille. Au-dessus de Brème, le brouillard les empêche de localiser la cible. Contre l'avis de son équipage, Dennis refuse de repartir. Les bombes sont enfin lâchées et ils regagnent la base. De multiples incidents jalonnent leur retour ; Danny est blessé, un des moteurs prend feu. Le « Memphis Belle » est porté disparu quand il apparaît dans le ciel. Mission accomplie.