Саша Львова (Нина Дробышева) в восьмом классе случайно встретила знаменитого лётчика Алексея Астахова (Евгений Урбанский). Во время войны она также случайно встретилась с ним в бомбоубежище и услышала его номер. Через четыре свидания в морозном ноябре сорок первого они поцеловались, через несколько дней провели вместе ночь, а вскоре Алексей погиб. Саша осталась одна с маленьким сыном на руках. После войны из эвакуации вернулась её старшая сестра, вышедшая замуж за пожилого снабженца, и не дождавшаяся своего жениха, ставшего гениальным физиком. Сашин ухажёр о студенческих лет Сашей был отвергнут, хотя когда-то она обещала дождаться его, и уехал на Крайний Север.
Неожиданно в квартире Саши появился Алексей. Оказалось, что он был сбит и захвачен в плен. Алексей стал жить с Сашей, но из-за плена не смог устроится на нормальную работу и начал сильно пить. Лишь после смерти Сталина Алексею вернули награды и он смог опять стать лётчиком.
«Чистое небо» — очень слабый фильм по сравнению с предыдущим творением Чухрая — «Балладой о солдате». Слабость проявляется практически во всём — в рыхлом и неритмичном сценарии, в недостаточной проработке героев, в спорных художественных приёмах, в работе оператора. Музыка Михаила Жива, правда, хорошая, но её мало. Фильм представляет ценность, как произведение, поднявшее мучительный даже для постсталинской власти вопрос судеб людей, вернувшихся живыми из немецкого плена. В худшем случае их ожидал лагерь, в лучшем — тяжелая судьба Алексея, талантливого испытателя, работающего учеником на заводе, как выпускник ПТУ. Вариант, парой лет раньше показанный в фильме Сергея Бондарчука «Судьба человека» — исключительный, и практически мифологический. Михаил Шолохов постарался, чтобы к его герою нельзя было подкопаться даже в условиях отсутствия презумпции невиновности, продемонстрированной в «Чистом небе».