红棉袄讲述了贫困山区女孩小雨的成长故事。童年时，一件由希望工程捐赠的小花棉袄和同龄女孩樱子写来的一封真挚信件，给小雨留下了温暖而美好的记忆，也成为她努力学习、最终考上大学的动力。
进入大学后，小雨与来自城市、活泼开朗且能歌善舞的叶琳成为室友。两人性格和成长环境迥异，叶琳张扬的个性与小雨内心的自卑形成鲜明对比，叶琳无意间流露出的每种态度，都容易让小雨产生抵触。多年来，小雨始终珍藏着那件小花棉袄和樱子的信，并一直希望找到当年帮助过自己的樱子。
然而，父亲病重、家中为治病欠下巨额债务，小雨面临无力继续学业、被迫退学打工的困境。她渴望尽快找到樱子，既寻求精神上的支撑，也希望在人生的转折关头得到帮助。得知小雨的家庭遭遇后，叶琳也试图伸出援手，却因方式不当反而给小雨带来了伤害。
小雨循着信中的线索展开寻找，终于见到了当年送她小棉袄、给她写信的人。令她意外的是，对方早已忘记了十几年前的往事，而这个人正是叶琳。当小雨从垃圾箱里捡回被叶琳扔掉的小花棉袄时，叶琳也终于明白，自己就是那件棉袄的主人。面对这件承载着童年记忆的普通棉袄，两个女孩紧紧拥抱在一起。
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