《河长》讲述了一场蓝藻爆发如何将一座拥有几百万人口的城市推入饮水危机。市民争相抢购纯净水，陷入“无水可喝”的恐慌之际，桃江市迅速将危机转化为铁腕治污行动，率先打响关闭污染企业、淘汰落后产能的战役。
桃鑫化工厂是桃江市的利税大户，也热衷于公益事业，幼儿园、敬老院、学校和医院常年得到企业捐助。然而，这家企业同样是当地有名的排污大户。尽管斥资数百万元购置了进口污水处理设备，董事长张秋江（吕良伟饰）等人却因不愿承担高昂的处理成本、追求巨额利润，暗中利用地下通道，每天深夜将未经处理的污水排入桃花江江心，而桃江的水最终直通桃湖。
张秋江的父亲张清水（牛犇饰）是一名老厂长，自封为桃江“河长”。当他察觉儿子的非法排污行为后，便开始明察暗访，调查企业的污染情况，也因此引发了张秋江的不满。就在父子矛盾不断激化时，张清水被查出身患癌症。但即便病重，他依然放不下桃江这条“母亲河”，坚定地对儿子说：“我就是一名自封的河长。”
最终，不堪重负的桃湖爆发蓝藻，导致全市几百万人面临饮水危机。市政府和环保部门紧急采取措施解决市民的饮水问题，并果断决定关闭、淘汰或转产所有污染企业。市长黄建华对企业家们说：“如果群众连干净的水都喝不上，我们赚那么多钱干什么？如果桃湖死了，我们就是千古罪人！”
为了彻底阻止桃鑫化工继续排污，张清水带病在同样患有癌症的小病友父亲阿根的帮助下，于深夜划着小木船前往江心取证。然而，他的行动被企业副总发现，副总随即驾驶摩托艇，在夜幕下赶到江心驱赶他们……
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