《三进山城》真实剧情发生在1943年的抗日战争时期。八路军刘连长和项指导员接到命令，率领队伍深入敌后齐阳县，目的是消灭县城内的敌人并破坏其军火供应，以牵制敌人对牙山革命根据地的“扫荡”。他们驻扎在齐阳城外的七里营村，随后刘连长和张排长化装进城侦察。

在城内地下党员的协助下，两人成功摸清了敌人的军火储存和运输情况。他们巧妙利用汉奸和敌军内部的矛盾，成功混出城。但齐阳守备队长小野加强警戒并改变弹药运输计划，导致八路军首次伏击失败。

刘连长决定再次进城，他们控制了王翻译，得知了小野的行动计划。在刁德胜赶到前，八路军已经撤离，而张排长则成功炸毁了弹药库。经过连续打击，小野决定借中秋节之名出城偷袭八路军。然而，刘连长早有准备，他率领部队第三次进城，全歼城内敌人，圆满完成了战斗任务。