대구 명덕국민학교에 다니는 윤복(김천만)이네 가족은 집세를 내지 못해 살던 집에서 쫓겨나 버려진 움막 집으로 들어간다. 윤복은 노름판에 빠진 아버지(장민호)와 아버지의 학대를 못 이겨 집 나간 어머니(주증녀)를 대신해 어린 동생들을 돌본다. 여동생 순나(정해정)와 다방을 돌며 껌을 팔던 윤복은 희망원 직원에게 붙잡혀 아동보호소로 끌려가지만 끼니를 거르고 있을 아버지와 동생들을 생각하며 그곳을 탈출한다. 이런 비참한 생활 속에서도 윤복은 그 날 그 날의 일을 일기장에 담는다.

가난한 학생들에게 헌신적인 김동식 선생(신영균)은 윤복의 사정을 알게 되고, 윤복의 담임(조미령)으로부터 윤복이의 일기를 건네받는다. 일기에 감동받은 동식은 후배 용웅(방수일)에게 서울로 가 출판사를 찾아봐줄 것을 부탁한다. 한편 윤복의 학급 친구 경애(전영선)와 혜자(김경숙)도 윤복이를 물심양면으로 돕는다. 그 사이 윤복의 아버지는 일자리를 얻으러 잠시 울산으로 떠나고, 여동생 순나는 돈을 벌어오겠다는 편지를 남기고 집을 떠난다. 그러나 동냥과 껌팔이, 구두 닦기 등의 일에도 불구하고 번번이 노름으로 돈을 잃고 자식들을 구박하는 아버지에게 지친 윤복은 어린 동생 태순(이지연)을 데리고 순나를 찾으러 무작정 서울로 향한다.

그 사이 윤복이가 쓴 일기는 『저 하늘에도 슬픔이』라는 제목의 책으로 출판되어 날개 돋친 듯 팔리고, 이를 읽고 감명 받은 사람들이 윤복이네에 옷가지와 쌀 등을 보내온다. 이 사실을 알지 못한 채 윤복이는 태순과 서울에서 갖은 고생을 하지만, 그를 찾으러 온 김동식 선생을 만나 신문사에서 제공해준 비행기를 타고 집으로 돌아온다. 학교의 대대적인 환대 속에 윤복의 아버지는 가장 노릇 제대로 못한 자신을 반성하고, 마침내 집 나간 어머니도 돌아오면서 윤복이네 집에 서광이 비친다.