30年代，摄影师唐延轩正随商队行进在新疆沙漠中，这时远方突然出现了神奇的海市蜃楼。翩翩一骑骏马载着一位神秘女郎迎面而来，唐及时拍下了这张珍贵的照片。回家后唐对神秘女郎一直不能忘怀，执意要找到她。唐廷轩、毛德威拿照片到一新疆餐馆，请大叔辩认，并请阿依努做向导。
到新疆后，他们遇到了叨羊比赛。赛前，头人宣布：谁赢就奖给白马一匹，并将阿依努许他为妻。唐廷轩骑摩托车参赛，从马队中夺走了羊。正当大家欢呼时，巴特尔率白俄匪徒袭来。在唐，毛的帮助下，马队英勇反击，众匪失败而逃。
阿依努爱上了身手矫健的唐廷轩，而唐忘不了梦幻女郎，拒绝了她的爱情。毛德威却暗恋着阿依努。
在寻梦的过程中，唐廷轩遭遇土匪，在与匪首蒙面人对打时，唐挑破面纱，见到对方真面目。原来匪首加沙洛就是神秘女郎，惊呆的唐束手就擒。好友毛德威出手救出唐，但匪首加沙洛娃骑黑马紧追其后。唐廷轩只得被迫返身应战，唐因体力不支，从高山滚下来再次被抓。加沙洛娃要唐给她作伴，唐反唇相讥，两人又打了起来。此时，头人率商队赶来突袭匪巢。在战斗中，毛英勇战死。唐延轩在商队帮助下最终打败了自己的“梦幻少女”。
