Elokuva Pikkusisar kertoo Katri Ruuskasta (Vera Kiiskinen), joka on talvisodassa leskeksi jäänyt nuori nainen. Katri pestautuu syksyllä 1941 apusisareksi helsinkiläiseen sotasairaalaan, johon sairasjunat tuovat haavoittuneita jatkuvana virtana rintamalta.

Sairaalassa Katri tutustuu Arvoon (Kai Lehtinen), runoja lausuvaan savottajätkään. Mies on haavoittunut päähän ja väittää tavanneensa Katrin jo kauan sitten - unissaan. Katri sanoo, ettei usko Arvon uniin, mutta uskoo ehkä kuitenkin. Samaan aikaan lapsuudenystävä Eero (Tarmo Ruubel) lähettää Katrille ujoja rakkauskirjeitä rintamalta.

Kaupunkia pommitetaan, ruoasta on pulaa ja talvikin alkaa keskellä syksyä. Kun Eero palaa kaupunkiin rintamakarkurina, on Katrin tehtävä valinta Arvon ja Eeron välillä.