Московская актриса Галина Прокофьева оказалась в числе актерской бригады в первые дни войны. Ее вместе с коллегами отправляют на Карельский фронт на гастроли. Там Галина знакомится с Полыниным — командиром авиационного полка. Суровый офицер, услышав песни молодой актрисы, влюбляется в нее с первого взгляда. Галя уезжает дальше, а Полынин остается вместе с любовью в своем сердце. Именно она согревала его в тяжелые военные годы. Скупой на эмоции, Полынин писал Галине короткие письма, намереваясь жениться на ней после войны. Сценарий к фильму «Случай с Полыниным» был написан писателем Константином Симоновым.