故事以也门撤侨，保护中国侨民利益为背景。索马里海域外，中国商船遭遇劫持，部分船员被海盗杀害，其他人沦为俘虏。蛟龙突击队沉着应对，潜入商船进行突袭，成功解救全部人质。狙击手罗星在追击海盗时不幸被击中脊柱神经，欠缺的位置由顾顺（黄景瑜饰）替代。
返航途中，非洲北部伊维亚共和国政局动荡，恐怖组织连同叛军攻入首都，当地华侨面临危险。海军战舰接到上级命令改变航向，前往执行撤侨任务。蛟龙突击队八人，整装待发。
时间紧迫，在“撤侨遇袭可反击，相反则必须避免交火，以免引起外交冲突”的大原则下，海军战舰及蛟龙突击队在恶劣的环境下，停靠海港，成功转移等候在码头的中国侨民，并在激烈的遭遇战之后，营救了被恐怖分子追击的中国领事馆人员。
然而事情尚未完结，就在掩护华侨撤离之际，蛟龙突击队收到中国人质被恐怖分子劫持的消息。众人深感责任重大，义无反顾地再度展开营救行动。前方路途险恶，蛟龙突击队即将遭遇的，远不止人质营救那么简单,恐怖分子的惊天阴谋即将浮出水面。
演员 张译
个性坚定果敢、为人彬彬有礼的“蛟龙突击队”队长。在执行驱赶海盗的任务后接到上级指示的撤侨行动，带领蛟龙突击队前去非洲北部伊维亚共和国执行任务，最终顺利完成任务。
演员 黄景瑜
狙击手顾顺，他是“蛟龙突击队”中的佼佼者，他有着狙击手惯有的冷静认真。因原蛟龙突击队狙击手罗星受伤，临危受命来执行此次撤侨任务。
演员 海清
丈夫和孩子均死于伦敦恐怖爆炸后励志成为战地记者。她一直在跟踪报道恐怖分子。当得知商人威廉因掌握核原料及制造“脏弹”的技术资料而成为恐怖组织的目标后，夏楠跟助手试图前去阻止。
演员 杜江
“蛟龙突击队”的爆破手、临危不乱的拆弹专家，同时还是蛟龙队的副队长。性格阳光活泼，但执行任务时却坚韧果决，协助队长杨锐执行此次撤侨行动。
演员 蒋璐霞
蛟龙突击队队员，也是队中唯一的女性。在执行解救人质的任务中，负责护送目标人物离开。与队友石头互有好感。
在拍摄一场爆破戏时，炮弹都是真实的。爆破组在前面准备，演员们跟着摄影机跑过去，虽然做足安全措施，但张译还是有被爆破的石头溅伤 。
剧组在摩洛哥拍摄时，创作团队涵盖了来自中国大陆及港台、韩国、马来西亚、泰国、英国、德国、法国、美国、摩洛哥等多个国家的工作人员，累计300多人。仅2017年2月26日的一场戏就动用1200多名演员，以及大量摩洛哥皇家卫队宪兵等装备配合参演 。
在北非拍摄的时候什么都没得吃，因为只有肉没有菜，拍摄的地方接近撒哈拉沙漠，平均温度差不多45度以上，张译种了三个月的菜。
因为该片的拍摄周期太长，拍摄环境太艰苦，很多女演员都推掉了该片的片约。海清进组没多久手就骨裂了，后面脸还被臭虫咬烂了，特别想回家 。
导演林超贤平时对演员们很保护，很多危险动作都不让他们做。但因炸车的戏份不让演员实拍会显得不真实，真到实拍时，海清被爆炸带来的热浪掀翻，手也流了血。
为真实展现海军风采，“蛟龙突击队”队员进行了超过800分钟的军姿和120小时的枪械训练，每天还坚持进行200分钟的体能训练 。
该片体现出了中国军人的英雄气概与大国崛起的精神气度，把中国军事题材影片推向新的高度。它没有把单打独斗式的个人英雄主义当作当代中国海军官兵的精神制高点，而是把镜头的焦点对准了集体的力量。其情感逻辑、动作逻辑的精细把控，和现代艺术技术手段的创造性运用，使得整个撤侨和战争场面的宣言，尤其是危急出兵、突围营救人质，最后的追击等场面，拍出了身临其境的真实感和摄人心魂的震撼效果。（《参考消息》中国文艺评论家协会名誉主席李准评）
“一个中国人都不许伤害”“一个中国侨民都不能少”，大国尊严、大国责任、大国气魄贯穿该片始终。故事展开过程中，并未回避战争的残酷，从而更加彰显了中国政府维护国家和公民海外权益的意志和能力，让观众强烈感受到一个负责任的大国守护世界和平的决心。影片不仅体现出近年来中国军队的发展和强大，更凸显了中国军人热爱和平、不惧牺牲的英雄气概和国际人道主义精神，彰显了国家利益、国家精神、国家形象和中国荣光。（《新华社》中国电影文学学会副会长赵葆华评）
《红海行动》其击中人心的不只是影片的“燃”，更有现实的“真”。片中的一个情节，为了解救他国人质和不使“黄饼”落入恐怖分子之手，特战队员付出了两死一伤的沉重代价，是人民军队忠诚使命的一个缩影。（《解放军报》评）
