Фильм рассказывает о жизни русского иконописца Андрея Рублёва. Повествование, разделённое на 8 новелл-эпизодов с 1400 по 1423 год, рассказывает о жизни Руси XV века, увиденной глазами странствующего монаха Рублёва.
Отдельные новеллы сюжетно мало связаны друг с другом, но ненавязчиво рисуют общую картину средневековой Руси, складывающуюся наподобие мозаики. Первая главка кинополотна не связана с сюжетом — это метафора художественного зрения и полёта, по-видимому, обыгрывающая миф об Икаре.
Завязка сюжета — уход из Андроникова монастыря трёх монахов-богомазов: Даниила, Кирилла и Андрея Рублёва. Пережидая непогоду, монахи останавливаются в избе, где даёт представление бродячий артист — скоморох. Не успевает он отдохнуть после представления, как по доносу неизвестного, его избивают и увозят стражники.
Артель резчиков, которая только что резала по камню палаты великого князя Василия, ослеплена — вероятно, чтобы брату великого князя Юрию Звенигородскому не получить искусной работы тех мастеров, а также для острастки других великокняжеских мастеровых.
Языческий праздник — ночь под Ивана Купала в глухой деревне. Праздник греховной плоти: следуя древним обрядам, обнажённые юноши и девушки перед глазами художника купаются в реке. На следующее утро он видит охоту стражников князя на язычников.
Новелла «Набег». Княжеские междоусобицы приводят к страшному набегу на Владимир татарской орды Эдигея. Разграбление города и храма татарскими воинами. Фрески и иконы Рублёва изуродованы и гибнут под сапогами захватчиков. Рублёв видит, как один из варваров тащит за волосы юродивую девушку, и спасает её, разбивая воину голову топором.
Все эти страшные картины воспринимаются как испытание веры Рублёва. Через весь фильм проходит философский спор Рублёва и Феофана Грека. Разочарованный и надломленный Рублёв возвращается в свой монастырь, сомневаясь, нужны ли его иконы людям. Сомнениям и страданиям Рублёва противопоставлено спокойное и умиротворённое религиозное восприятие мира Феофана. Он наставляет Андрея и просит его, несмотря ни на что, продолжать творить. Один из монахов, Кирилл, в начале сюжета, проклиная Феофана, уходит из монастыря. Но он возвращается вместе с Рублёвым и униженно припадает к ногам настоятеля монастыря, умоляя простить его грехи.
Рублёв, искупая страшный грех — убийство человека, берёт на себя обет молчания. Судя по сюжету, он держит обет пятнадцать лет.

---

Финал
«Троица» Андрея РублёваПоследняя новелла «Колокол» — апофеоз фильма и средоточие его тем. Это рассказ о юноше, который ради спасения жизни притворился знающим ключ к искусству, а потом обнаружил, что таинство созидания и в самом деле нечуждо ему.
В разрушенном Суздале нужно отлить новый колокол для звонницы храма. Слуги князя пытаются отыскать колокольного мастера, но после набега и эпидемии в живых никого не осталось. Единственный, кого им удалось найти, — это юноша Бориска, сын одного из мастеров, который якобы знает «секрет литья». Князю не остаётся ничего другого, как поручить несовершеннолетнему парнишке отливку огромного колокола.
Бориска, понимая всю ответственность задачи, возглавляет работу артели в сотни человек. Сложнейший заказ князя выполнен, и в установленный срок колокол поднят на временную звонницу для испытаний. Наступает момент истины, язык колокола, раскачавшись, касается стен инструмента и могучий голос плывёт над землёй. Рублёв, наблюдающий это чудо, решает завершить свой обет и говорит Бориске:
Вот пойдем мы с тобой вместе. Ты колокола лить, я иконы писать... Какой праздник для людей...
Финальные кадры картины показывают в цвете, очень крупным планом то, что осталось нам от Рублёва и его современников, — иконы, в том числе звенигородского «Спаса» и знаменитую «Троицу». Завершают фильм кадры пасущихся под дождём лошадей — последний аккорд в веренице запоминающихся и не всегда объяснимых образов животных, которыми изобилует фильм.