在上个世纪60年代，在紧张的国际形势下，中国第一颗原子弹终于研制成功，随着壮丽的蘑菇云腾起，举国人民无不欢腾鼓舞，无数热血青年纷纷立志投身在毛主席的号令中，穿越崇山峻岭来到大西南，为国家的原子弹事业做贡献。故事就发生在中国大西南研制导弹基地。

在站台，随着火车的缓缓驻停，一名热情如火，青春洋溢的小姑娘陆若文（苏青 饰）高兴地从列车上下来，向等候在那的导师高占武（任程伟 饰）汇报情况，陆若文汇报完情况，故意向高占武说自己已经得到调令，可以去基地上班了，她的小伎俩被高占武识破，高占武让她拿出调令，陆若文看到谎言败露，于是百般给他说好话，但高占武坚决不肯把她留在这里，还让她去候车厅休息，然后随着火车返回。

一同下火车的向晴（练束梅 饰）看到陆若文遭到高占武的回绝，想替陆若文求情，忽然看到大学同学张利军（杨烁 饰）来接她了，和老同学重逢，向晴兴奋地抱着张利军，还给他戴上了一顶新帽子。张利军，军人子弟，是个一身热血的大学生和火箭工程师，性格桀骜不羁，率性而为。他将自己的好朋友马朝阳介绍给向晴认识，听到她说陆若文也来了，两个人飞快地跑到调度室。

调度室里，陆若文向她的大学同学张利军和马朝阳哭诉，如果谁能让她留在基地，自己就嫁给她，张利军和马朝阳想向高占武求情，没等他们开口，高占武直接告诉他们，谁想跟着她，可以随时回去。  两个人也没有办法。

调度室里的调度员姜又发看到陆若文哭红的眼睛，告诉她，自己有办法让她混进基地，陆若文便听了姜又发的办法，偷偷钻进运往基地的卡车车厢，蒙混过层层警戒。基地王副主任发现火车刚到站，基地就出现了敌方电台信号，为了不打草惊蛇，没有大肆声张。第二天，张利军把基地的同事刘连柱和他的爱徒梁玉强都给向晴介绍了一下，向晴觉得车间的刘连柱师傅冷冷冰冰，张利军却告诉她，这个师傅在制造火箭方面是全能，大领导来了都要给他倒水。无意中听到张利军喜欢陆若文，向晴没好气地拿回了自己的帽子。

仓库的同志发现了冻晕里面的陆若文，赶紧汇报给了上级，担心情报泄露，上级立刻决定对陆若文实行隔离审查。在调查室，陆若文一口咬定没有人帮她，全部是她自己一个人混进去了，接着还说出了基地各个部门的工作内容和作用，连各个部门的编制都摸的一清二楚，为了防止她说出更多的机密，徐处长立刻让人把她关进了监狱。

基地的王副主任惊讶一个小小的陆若文竟然知道这么多秘密，于是向高占武兴师问罪，高占武告诉他，自己并没有泄密，恰恰相反，这个陆若文在制作导弹方面的知识很渊博，但由于她资本主义小姐的身份所以迟迟没有被调进基地，自己也正在做工作让她以合法的方式调回这里工作。王副主任了解到当天接触到陆若文的只有马朝阳和张利军，因为马朝阳当晚就探亲回家了，所以郑重调查了张利军，张利军完全否定了私自帮助陆若文的事情，还说关系到国家安全的事情，自己是绝对不会含糊的。

接着王副主任向基地的司令员汇报陆若文的处理意见，他和政委都决定要把陆若文移交军事法庭处理，司令员没有异议，还建议他利用这件事好好教育基地的年轻人做好保密工作。张利军听到这个消息生气地责备高占武见死不救，高占武思来想去，只好带着向晴到基地的司令部。见到自己的司令员父亲，向晴向他陈述了陆若文的事情，没想到一直铁面无私的父亲还是坚持自己的处理意见——将陆若文移交军事法庭处理。张利军想摸黑混进监狱，没想到被警卫员抓个正着，基地四处守卫森严，张利军只好作罢。

向晴向自己的父亲讲了火车上她和陆若文相识的经过，陆若文给她讲的自己的志向和抱负，她告诉向晴，自己那么勤奋好学，到头来只是因为政治出身等等问题被研究基地拒之门外。那一晚，司令部的灯火彻夜未熄，这注定是个不眠之夜，高占武，向晴，张利军都在为陆若文的命运而努力。

第二天上面下达了将陆若文转移监狱的命令，司令员一早来到监狱门外，他再次问陆若文是怎样知道基地的编制和各部门的工作情况，陆若文告诉他，因为自己所学的专业告诉她，要想研制导弹系统，必须有这些部门做基础，即使自己被关进监狱，等到十年二十年自己被释放之后，依然会再次学习自己的专业，实现自己的梦想。司令员听了很感动，觉得像这样有志向的年轻人不可能是特务，于是重新向上级发出申请，让陆若文回到基地做研发工作。

陕西南部，马朝阳回到自己老家，原来是父母让他回来和张兰成亲的，张兰是他们家的童养媳，这些年马朝阳求学在外，他父亲中风几乎不能行走，家里全是张兰一个人照顾。马朝阳心里有了陆若文，并不同意这桩包办婚姻，但他的父母觉得不能对不起张兰，于是硬逼着他答应。

陆若文终于来到了基地工作，看到严谨整洁的工作环境，忙碌又专心的科研人员们各司其职并且有条不紊，陆若文内心满满的振奋，她感激地告诉向晴，是一个说着四川方言的老军人救了她，向晴窃喜——那不是自己当司令的爸爸吗，她问陆若文和张利军到底是不是情人关系，陆若文郑重告诉她，“导弹不成功，火箭不上天，自己是不会谈恋爱的“。

列车再次停靠在站台，基地的同志已经摸清了规律，只要一有火车停靠此地，敌方的电台便会有信号发出，于是趁着这次机会一举展开搜捕，终于他们发现了调度室里的牛三原来是特务。首长来到基地视察情况，看到自己的帽子被向晴偷偷送给了张利军，自己已经明白了，基地的领导同志对首长给他们带来的陆若文很满意，觉得她的能力很强，刚来几天就做出了成绩。

陆若文自从来到基地，对张利军爱理不理的，并且刻意保持距离，她告诉马朝阳，今后要继续和他保持纯洁的同学关系，直到他们实现自己的理想。没过几天，马朝阳就从老家回来了，看到陆若文也在基地，开心的不行，张利军故意告诉他，是自己帮的陆若文，马朝阳吃了张利军的醋，两人开始互掐起来。张利军觉得自己和陆若文是门当户对，让马朝阳早点给他们腾地方，马朝阳一改常态，竟然答应要退出，不跟他争了。

基地召开诸葛亮科技会议，火箭专家当众点名表扬了张利军编制的装备手册，和马朝阳推广的统筹方法，这些举措都非常实用，司令员也对他们的发明非常赞赏，号召众多科研人员发扬臭皮匠精神，让祖国的导弹事业早一点跻身世界前列。所有参加会议的人员热血沸腾，纷纷挽起袖子，准备为祖国的昌盛大干一场。

会议中，部长们忆苦思甜，告诉在场的所有年轻人：以前国家寄希望于苏联能够帮中国实现导弹上空的问题，可是没过多久，苏联却撤走了所有的专家和材料，他们以为这是给中国致命的一击，但仅仅过了半年时间，导弹却真的上空了，这说明中国人的智慧，中国人的才识丝毫不比外国人差。一时间掌声雷动，在场的所有人被部长的讲话感染，对基地的未来更加有了信心。

火箭在研制的过程中发现了新的难题，由于加温设施没有跟进，导致火箭的动力大大降低。知道了这个软肋，经过几个夜的凝思苦想，陆若文发明了一个空气加温器装置，她拉着向晴去给上级汇报，没想到办公室里领导们正在开会，在首脑的机要会议上，几个领导对她们的发明赞不绝口。随后命令陆若文当研发小组组长，让张利军做副组长，一起研究在导弹中加设空气加温器。

食堂的饭桌上，因为追求陆若文的事情，张利军责怪马朝阳不守信用，说好的要退出，可一看到陆若文又禁不住开始表现，他故意嘲笑马朝阳不识斤两，卖弄学识，忽然听说马朝阳真的直接破格被评为工程师，醋坛子打翻了，连饭都吃不下了，马朝阳安慰他，今后有的是机会，这仅仅是第一批，听到这些，张利军又转嗔为喜，接着回去端碗吃饭了。

大梁在制作火箭材料时不小心废了一块料，刘连柱师傅直接让他罚跪，陆若文看不下去了，要拉着大梁站起身，刘连柱并不应允，两个人开始僵持不下，陆若文哭着给高占武报告，高占武却觉得刘连柱没有做错，废了一块料相当于用掉老百姓整整一年的口粮。陆若文知道自己错了，赶紧央求高占武帮自己打圆场。

在加工空气加温器过程中，张利军和陆若文相互协助，工作进展地很顺利，陆若文让张利军帮自己做一个透视镜，张利军也总能积极实施，两人配合得几乎天衣无缝。院长观摩完他们的科研成果后，决定第二天开始实战打靶。

到了晚上，实验室的同志们提前为陆若文准备了庆祝晚会，他们恶作剧的在气球里放上了各种惩罚的纸条，有人抽到了为全车间的人打一星期开水，有人抽到了为车间的人削一个星期铅笔，张利军抽到的是学狗叫，而陆若文抽到的是演唱一首“喀秋莎”歌曲，听到她甜美的歌声，马朝阳深深陶醉其中，他决定退掉父母包办的婚姻，于是在晚上夜深人静时给张兰写了信，信中他告诉张兰，自己只想把她当妹妹一样照顾，因为他们之间没有共同语言，所以觉得他和张兰的结合是不会幸福的。

欢庆会结束后，马朝阳和张利军正在洗漱，原来是胡风说大梁的师傅了，因为这两个人开始扭打在一起，张利军及时将他们拉开，还告诉他们大家处在一个屋檐下很可能今后这半生都在这里了，一定要团结，两个人终于握手言和。马朝阳很佩服张利军这张嘴。

第二天实战打靶开始，怀着激动的心情，很多领导和研究人员驻足观看，心情激动又紧张，终于看到自己研制的导弹获得了成功，人群中一片欢腾。观赏完实战打靶，张利军开始站在讲台上吹嘘导弹的威力，还说一发炮弹能打出八百八十八个窟窿，听得众人不禁唏嘘，最后张利军煞有介事地拿出领导的态势总结说，今天实战打靶的胜利不仅仅属于他们第五院还属于整个基地。台上他正说的起劲，忽然高占武来了，张利军赶紧识趣地走下台。高占武开始总结发言DF2火箭研制系统，党中央非常重视火箭的研发，抗美援越战争马上就要打响了，研制导弹事业迫在眉睫，希望大家再接再厉，从明天开始研究火箭燃料的研究，短暂的休息后去一号车厢把图纸接回来。

陆若文在候车厅看到了姜又发，她感激姜又发当初帮助自己进入基地，姜又发没有从陆若文嘴里问出什么，车站上还有一个人行踪诡秘，并和姜又发对上了暗号，这个人就是余震和。随后张干事宣布陆若文和向晴都成为23级助理工程师的嘉奖。张利军听到两个同学都得到了晋升，唯独没有自己的，一时想不开便抬腿出去了，马朝阳拉都拉不住。到了晚上，依然没有看到张利军回来，马朝阳有点急了。赶紧到宿舍去找陆若文，陆若文打着手电筒出去了，在小河边的篝火旁，陆若文发现了闷闷不乐的张利军。

陆若文想劝他今后少说点话，张利军却急了，开始和陆若文理论，虽然他平日里爱说话，大大咧咧，但工作上却一丝不苟，做得比说的多。陆若文刚刚说了两句就被张利军堵了回去，最后忿忿走了。张利军悄悄跟在她后面，一直看到她安全抵达，才回到自己宿舍。

高占武一直在宿舍等张利军，看到他回来，语重心长地告诉他，高占武语重心长的告诉他，伤心是对的，但也要检讨自己的失误，自己平时说话不经大脑，幸好只是科研人员，如果是军人早都被遣退了。张利军尽管心里不服气，嘴上还是没有反对。第二天，张利军醒来发现舍友们都乘车出去了，自己也想方设法跑了去。在制作车间，他认真地教习新来的工人组装零件，因为他风趣幽默的谈吐，一名叫乔美娟的姑娘当众便向他表白了。张利军狡黠地告诉她，自己连孩子都有了，说完给陆若文远远地抛一个媚眼，向晴撅起了嘴。

美国和朝鲜的局势开始紧张，首长来到北京接受指示，然后将消息带给了高占武，高占武通知下面的同志，中央已经批下来让红旗一号导弹正式投入生产，负责红旗一号导弹的各个研究人员纷纷汇集北京继续搞研发，但张利军需要临时离开研究室，留在这里。

听到这个消息，张利军有点懵了，整个基地的同志们，只有自己被搁置在这里，不仅仅没有得到一点晋升，反而和大伙一起研究的机会都没有了。张利军想问个明白，为什么独独留下自己，自己可以不要奖章，不要头衔，但是自己要这张脸，越说越激动，甚至直接提出自己买张火车票回北京，高占武斥责他的脾气，告诉他，军人以服从命令为天职，让他服从领导的命令。

第二天，马朝阳临上火车前，怎么都没有找到张利军，于是将自己给张利军留下的东西交给张干事，让他转交给张利军。张利军一个人坐在小山沟旁，听到火车开走时隆隆的响声，内心五味杂沉。火车车厢里，马朝阳忍不住坐在高占武身边，高占武知道他是想问张利军为什么被搁置的问题，于是告诉马朝阳他们，让张利军留在这里是经过慎重考虑的，在科研方面，张利军并没有比马朝阳占优势，但是在管理和协调方面，张利军却是有着天生的杰出管理才能，随机应变和沟通能力却比马朝阳强很多，才决定让张利军留了下来。听了高占武的话，马朝阳知道是为了张利军好，心里的石头终于放下了。

张利军一个人坐在空荡荡的宿舍，回想起大家都在的时候其乐融融的场面，内心有点不是滋味。他一边吃着马朝阳留给自己的咸干花生，看着陆若文留给自己的大白兔奶糖，还有向晴留给自己的东西，不禁对自己的未来充满着迷茫和困惑。第二天，一觉醒来，张利军并没有从此消沉，他走进车间认真给安装工人授课，讲课中诙谐生动的语言将枯燥难懂的导弹知识讲解得简单易懂，赢得无数的叫好声。角落里孟主任得了夜盲症摔倒了，张利军想起了陆若文曾经讲过的不吃青菜会得夜盲症，于是向厂长申请了一块地，准备自己种菜。

在新开垦的菜地上，张利军带领着大家拿起锄头一起流汗，一起唱歌，晶莹的汗水滴洒在无声的土地上，嘹亮的歌声在菜地的上空回旋了好久好久。柔和的灯光下，张利军在静静看着高占武给他写的信，信中高占武对他工作的态度给于高度的肯定，并且提出对他很高的希望，希望他不负众望，带着车组装车间的工人早日完成任务。

在课堂上，张利军看到有人不小心打了瞌睡，为了鼓舞士气，张利军给大家讲了一个新中国成立初期，一个爱国科学家心系祖国，尽管层层受阻，甚至还被美国联邦调查局关进监狱，但最终还是到达了自己的国家，为祖国核导弹事业做出了巨大的贡献。一时间，士气大涨，下面的学生工人纷纷振臂高呼，一定要为祖国争光。张利军带领着大家白天上课，课余便一起种菜翻地，生活过得充实而幸福。

在北京返回的专列上，高占武宣布有十个小时的探亲时间，因为陆若文资本家小姐的身份，高占武让马朝阳陪着陆若文回家。在陆若文家里，陆若文的妹妹们开始旁敲侧击地打听马朝阳的家庭背景，听说他的父母是地地道道的陕西农村人，她们感叹生活的凄苦，陆若文的父亲陆乾却开明地说抗战胜利多亏了这些勤恳朴实的老板姓，还感叹自己女儿很幸运有了这个根正苗红的同学，马朝阳听到陆若文的父亲托付他照顾一下自己女儿，马上端正的站起向陆乾保证，自己一定会好好照顾陆若文。从陆若文家里出来，马朝阳和陆若文一起去看了张利军的父母，张利军的父亲听到自己儿子没有得到嘉奖，觉得很丢脸，马上没有了言语，直接出了家门。

看到张利军的爸爸生气走了，马朝阳和陆若文赶紧找好听的给张利军妈妈说。回到火车上，他们心情忐忑地向高占武汇报情况，高占武听后微笑着说，其实他们前脚走，后脚自己就去张利军家了，还把张利军晋升工程师的事情告诉了他父亲，他父亲很高兴。

张利军带领大家开垦的菜地很快就得到丰收，别的车间开始艳羡他们的菜地，纷纷去他们菜地收菜。孟主任心疼他们种的青菜，阻挡他们在自己车间的菜地收菜，两群人差点为这打起来，张利军及时赶到，劝说孟主任，菜地里的菜这么多大家一时也吃不完，再说其他车间的菜地很快也该收获了，不如乘人之美让大家都能记着他们车间的好。张利军的话让车间的同事们瞬间开了窍，纷纷对他鼓掌称赞。

张利军的车间为乔美娟办生日聚会，聚会上张利军袒露心声：虽然现在车间宿舍的条件非常辛苦，但是相信未来几年，这里会变成灯火通明的城市，所以一定要坚持下去，不能着眼于眼前，接着他问车间里还有谁想离开这里，桌子旁边坐着一个小姑娘终于认错，还开心的告诉张利军，看到他来车间自己就不想走了。趁着车间里的人都去聚会了，特务于正和开始一个人悄悄摸黑走出去启动电台，他诡秘的背影开始引起人的注意，很快基地传来了敌方电台的电波，司令员开始紧密部署下一步的抓捕行动，这次务必要将特务分子一网打尽。

上级领导开始为建造职工宿舍的问题开始讨论，他们一致决定缩小领导办公室的面积，多盖一些员工宿舍和配套设施。会议之后，两个领导就商量着把张利军调到他们车间来，他们觉得碰到一个知识水平高，还能够和工人们打成一片的年轻人很难得，愿意不惜一切代价把他留下来。

马朝阳来到车间后，看到张利军依然坚守在自己岗位上，还干得挺认真，自己非常开心。知道马朝阳陪着陆若文去陆家了，张利军开始有了情绪。向晴找了个理由给张利军和陆若文在一起的机会，三个年轻人说说笑笑，很快隔阂便消除了。车间举行拔河比赛，看到张利军带领的队伍很快要输了，车间里所有女同志赶紧给张利军加油鼓劲，向晴和陆若文看到她们在张利军身边张扬跋扈的劲，不禁吃醋了。

首长来车间里视察，听到厂里一星期只洗一次澡，不禁感叹条件太艰苦要是不排队就好了，听到这里，陆若文赶紧插嘴说，真的有不排队就进澡堂的，说着就只身闯入澡堂中，把赤裸着上身的张利军揪了出来。可怜的张利军瑟瑟发抖地站在首长面前，车间主任却朗朗笑着说，同事们都很喜欢他，主动愿意让他不排队享受福利。宿舍里，张利军向陆若文求婚，陆若文不想违背自己的诺言，想等到火箭上天了再谈恋爱。并且担心向晴也喜欢他，张利军看着她的眼睛，对她说自己心里只喜欢她再也装不下任何人。

张兰来信同意了马朝阳分手的想法，在信中她安慰马朝阳专心做研究，自己会在家里照顾好他的爸妈，还说马朝阳能把她当妹妹看是她的福分。