孙悟空（谢苗饰）受观音所托，回到五百年前，去取铁扇公主（黄一琳饰）的一颗眼泪，用以恢复芭蕉扇的法力。哪知道孙悟空返回过去之后失去了记忆，成为了铁扇公主的小跟班。彼时，芭蕉扇被牛魔王（马京京饰）和玉面狐狸霸占了，铁扇公主带着孙悟空屡次同他们争斗，均以失败告终，孙悟空在此过程中还身受重伤。他的勇气和执着渐渐打动了铁扇公主冰冷如铁的心。　　然而，就在这个节骨眼上，牛魔王向铁扇公主求婚了，孙悟空自知自己比不上牛魔王，黯然离去，并且打算摘一朵长生花作为送给他们两人的新婚礼物。长生花的魔力让孙悟空恢复了记忆。

唐僧师徒四人赶奔西天，渐觉热气蒸人。问及乡里，才知此地唤做火焰山，无春无秋，四季皆热，山周围八百里火焰。受阻于火焰山，孙悟空、猪八戒到翠屏山芭蕉洞找铁扇公主公主借灭火的芭蕉扇，铁扇公主不肯借予。孙悟空变只小虫钻进铁扇公主腹内大闹，结果拿到手的是一把假扇子。猪八戒又化作牛魔王的模样从铁扇公主手中骗到真扇。牛魔王这时正在跟狐狸精寻欢作乐，听到扇子被抢走了，赶紧回到家中，接着又化作孙悟空的模样从猪八戒手中骗回扇子。影片结尾，悟空和八戒，以及乡亲们联手打败了牛魔王，终得宝扇，扇灭火焰山的烈火，登上取经的路程。影片中的牛魔王其实“日本鬼子”的影射，正值抗战时期，万氏兄弟想借此片鼓舞全国人民的抗战热情。　　本片是中国第一部长篇有声立体卡通（动画电影），手冢治虫也受《铁扇公主》影响，决定从事动画行业。