La pel·lícula narra la història de David Carr, un treballador a l'atur i membre del Partit Comunista de la Gran Bretanya. L'any 1936, quan a conseqüència d'un aixecament feixista, s'inicia la Guerra Civil Espanyola, David Carr decideix lluitar en el bàndol republicà, una coalició de lliberals, socialdemòcrates, comunistes i anarquistes. S'uneix a les milícies del POUM (Partit Obrer d'Unificació Marxista) i és testimoni directe de la traïció a la revolució per part de la facció contrarevolucionària dins de la coalició de republicana.
L'1 d'abril de 1939 va acabar la Guerra Civil Espanyola. Tement una repressió cruenta, molts republicans van fugir del país, però altres no van poder o no van voler. Com les tretze noies, gairebé totes menors d'edat, protagonistes d'aquesta història real, que van ser afusellades el 5 d'agost de 1939 a les parets del cementiri de l'Almudena després de viure un calvari a la presó.
Era el maig del 38, en plena Guerra Civil. Els habitants de Benassal, Albocàsser, Ares del Maestrat i Vilar de Canes, a Castelló, no van saber mai del cert qui o qui pilotaven els avions responsables d'aquella atrocitat, encara que la propaganda rebel ho va atribuir als republicans. Ara, 80 anys després, «Experiment Stuka» explica el que realment va passar llavors, on el balanç final va ser de 38 morts i quatre pobles enderrocats.
Anys trenta. En Guy Malone, un professor irlandès, surt amb la Gilda Bessé, una fotògrafa de moda i tots dos comparteixen apartament a París amb la Mia, una refugiada gitana espanyola. Quan en Guy i la Mia van a Espanya a lluitar contra els feixistes en la Guerra Civil Espanyola la parella trenca, i els tres amics se separen... aparentment per sempre.
Un antic presoner de la Guerra Civil Espanyola, John McKittrick, arriba a Nova York amb la intenció d'investigar la mort del seu amic Louie Lepetino, ja que sospita que no ha estat un suïcidi.
A l'hivern de 1937, la jove Manuela i la seva filla Paloma recorren els carrers de la ciutat assetjada. El seu marit, l'advocat Just Álvarez Calderón, lluita contra Franco en dos fronts: a la ràdio, on s'ha convertit en “la veu de la revolució”, i a les trinxeres que envolten Madrid.