1997年,只有6岁儿童智商的智障男子李龙九和可爱的女儿艺胜相依为命,生活虽然简单清贫,却充满幸福。一天,执着为女儿买美少女战士书包的龙九意外卷入一起幼童奸杀案,而死者竟是警察局长的女儿。龙九在急于破案的警察的误导下认了罪,被投入监狱。
狱警科长对犯了“万恶之罪”的龙九十分严苛,把他安排到7号房。这个房间里住着抢劫犯奉植、诈骗犯春浩、通奸犯姜万范、走私贩老大、恐吓犯老徐等五毒俱全的“社会渣滓”。起初,狱友们对刚进来的龙九也不友好,而孩子般的龙九并不知道自己处境的凶险,一心惦念着艺胜,盼着自己能被早点放出去。艺胜则被送到了孤儿院,等待着爸爸能来接她回家。
在一场监狱打斗中,龙九挺身替狱友老大挡了一刀,他纯洁的心渐渐感动了这几个“大坏蛋”。正巧监狱里迎来了唱诗班的演出,艺胜正是表演者之一。狱友们不惜冒险将艺胜带入牢房与父亲相会。活泼聪明的艺胜得到了狱友们的喜欢,同时也给7号房间里的生活带来了欢乐的气氛。然而,这一切被精明的狱警科长逮个正着。那是一个雨夜,雷电交加。龙九被捆绑着关进了惩戒室,而哭泣的艺胜则被连夜送回了孤儿院。
当晚,监狱进行大检查。意外再次出现,一个犯人情绪失控,用汽油点燃了自己房间,整个监狱都沸腾了。科长被困,龙九注意到这一切,勇敢地冲进火场,救出了他。获救后的科长对龙九的态度有所转变,他得知艺胜因想念父亲而生病,特意让狱警把艺胜装在纸箱里送到7号房,这让龙九和狱友们又开心又意外。接着,对龙九的案情心存疑问的科长询问同事,得知由于死去的是警察局长的女儿,上头要求一周内结案。他翻看搜查记录时,发现陈述书并不是龙九的亲笔,越来越觉得事有蹊跷。
艺胜每天的到来,让龙九变得越来越开朗。每日放风,他不再独自一人蹲着发呆,而是跟着大家一起活动。欢乐的时光很短暂,宣判的时间下来了。狱友们想帮助龙九洗脱罪行,帮着他一点点回忆、分析、重现当时的情况,找出警察局长女儿死亡的真正原因。最后大家推断,因为案发时天气寒冷,市场路上结冰,小女孩不小心滑到,致使后脑勺撞到地上死亡。而龙九解开她的衣服只是想对她实施急救术。狱警科长为了帮龙九,恳请警察局长重审龙九的案件,并告之李龙九不是罪犯。而警察局长根本不理会请求,极尽冷酷无情,眼神充满仇恨。他追问科长有失去过子女吗?科长强忍着心里的痛回答,已经失去了,被劳教所里犯人……
随着最后上庭的时间越来越近,狱友们使出全身解数,将所有庭审中法官可能问到的问题和答案都写在纸上,带着龙九一遍一遍地演练。要想自如地对答,对龙九是个不小的挑战,他起早贪黑地背着。法庭指定给龙九的律师来到了监狱,敷衍地和龙九交流了几句。正当律师准备离开时,科长追了出来,将犯人们为龙九联名提交的申诉书交给他,律师看都不看。
站在法庭上的龙九,一面是狱友、科长、女儿的期待,一面是警察局长的恐吓,他想说自己无罪,但他更怕的是有人伤害艺胜,所以傻傻的他认了罪,被法庭草率地判了死刑。为了拯救龙九,狱警科长和狱友们为他策划了一次越狱。科长请合唱团来表演,并悄悄地准备了一个热气球。美丽的夕阳下,龙九父女俩开心地乘着气球越飞越高,狱友们配合地拦住狱警。眼看着气球就要飞离监狱,突然气球绳索卡在了监狱的围墙上,计划失败了。人们都安静了,呆呆地看着气球。谁都知道,这是龙九和艺胜仅剩的一点美好时光。
行刑的那天,正好是艺胜的生日,12月23日。艺胜收到了狱友叔叔送给她的礼物,最令她惊喜的是爸爸的礼物——她梦寐以求的美少女战士书包。在行刑的前一刻,龙九听到艺胜的呼唤“爸爸,爸爸”。他本能地又冲到艺胜面前,隔着铁栏杆,两个人抱在一起。他大声地喊道,自己错了,那绝望的声音在监狱里久久回荡。
十几年后,在7号房的狱友们、科长的照顾下,艺胜已成长为法律系高材生。为了给父亲洗去冤屈,她要求法庭重审此案。面对着当年冷漠的律师、不负责任的警察,她的陈述铿锵有力,表情坚定不移。最终,法官宣判李龙九为无民事行为能力人,诱拐崔智英并强奸后杀害的证据不足,宣告无罪。虽然沉冤得雪,但父亲英魂已逝,艺胜抚摸着案卷照片中的李龙九感慨万千。走出法庭,站在雪地里的艺胜,仰望着天空,七彩的热气球不再有牵绊,关于父亲的记忆,都是温暖的。
(杨柳青根据剧情编写)