Действие фильма происходит в начале Великой Отечественной войны. Для выпускника летного училища Сергея Тесленко летная практика началась сразу же в боевых условиях. Во время разведки самолет Тесленко сбивают фашисты. Герой оказывается во вражеском плену, в лагере при немецком аэродроме, где советских летчиков используют в качестве живых мишеней для немецких курсантов летной школы. Тесленко предпринимает отчаянные попытки сбежать из плена.
Военная драма «Охота на единорога» основана на военной повести В. Б. Туболева «Чужое небо».