50年代初期，新生的中国一直被核恐吓的阴云笼罩，在朝鲜战争以及台海战争中美国不止一次利用核武器威胁中国，就是在这样的背景下中国开始了研究核武器这样一个伟大而又艰巨的征程。受数学教华罗庚归国前和同学们留下的话语感召，留美钟培林教授要带着自己的学术成果回到疑难多多的祖国，为祖国献出自己的力量，但是女儿钟心劝说父亲不要着急回国，可以等自己的学术结果完成之后再考虑，但是钟教授心意已决，科学没有国界但是科学家有国界，新生的祖国还需要更多科学家去建设，祖国才是中国人的根。

钟教授秘密与一些留美的教授见面，其中就有一直被监视好不容易摆脱的林教授，大家正在商量如何离开美国回到祖国的怀抱，美国警方就上门来逮捕林教授，大家匆忙离开，林教授只交代了钟教授找到方明就能营救自己回国，送走了大家林教授独自一人面对美国警察。王怀民和何吟薇是一对留学苏联研究物理学的夫妻，苏联为留住在物理学研究有突出研究能力的两位，提出让何吟薇还在肚中的孩子以苏联国籍和最好的教育，同时让两人立刻加入国家科学研究院。以黄凯华为首的其他同学要离开苏联回去支援祖国，大家都有些瞧不起要留下的王怀民夫妇，愤而离开了。

钟教授等面对美国海关层层审查，女儿钟心早已和移民局打好关系加入到今天的检查翻译工作，为父亲翻译掩盖林教授留下的字条，使父亲顺利通过，和父亲分别时承诺祖国见，父女两依依不舍。这些深居海外的中国科学家响应祖国号召，放弃了比较完善的科研环境义无反顾地回到祖国。这其中也包括了王怀民夫妇，他们最终放弃了苏联开出的优渥条件坐上了回国的列车。同学们都好奇王怀民和何吟薇为何决定回国，王怀民将深藏在画中的科研数据亮给同学们看，同学们都很激动。

王怀民要继续将其余油画上的数据展示，准备蒸馏出更多的酒精去擦拭颜料显露数据，却被中国解放军陶志纲出手制止，他以为这些归国的科学家只是不学无术浪费粮食的文人，与众人一番争执还是拿走了酒。但其是从朝鲜战场上下来的解放军，战争的阴影还深深地影响着他。一下火车就有老战友接待，并着当地第五医院的护士和杨佳蓉准备接其去医院进行治疗，但是陶志纲坚称自己病已经痊愈不用去医院，但在杨佳蓉一番劝说之下乖乖地去往医院。

一路尾随王怀民和何吟薇的特务在下车时伺机抢夺箱子里的资料，特务将何吟薇推到夺走箱子，王怀民在何吟薇的催促下拼命追着箱子，陶志纲出手帮忙追击特务。被特务推倒的何吟薇遭遇早产加难产，杨佳蓉一直在旁帮助。特务一直在逃窜，手中还有武器用来伤人，在窜上正在行进的火车时被陶志纲用枪击中，箱子被夺回但是王怀民被撞击后脑勺晕过去了。等他再醒来时与妻子何吟薇已是天人永隔，生下的男孩一出生就失去母亲。何吟薇临终前再三拜托杨佳蓉要替自己照顾孩子，杨佳蓉为自己没能挽回一条人命而痛哭答应。

王怀民没能从失去妻子的痛苦中走出，他质问杨佳蓉为何没有基本的医疗常识救活一条活生生的人命，但是杨佳蓉作为一名护士对于产妇大出血的情况也无能为力，陶志纲训斥王怀民为何要将所有的错怪罪在一个小姑娘身上，。王怀民没有照顾儿子，而是不断地给妻子何吟薇写信，表示失去妻子的自己唯有努力工作才能忘记痛苦，以自己一人之躯担负起两个人的理想，幸好儿子振理还有杨佳蓉帮忙照顾，否则他更加手足无措。陶志纲在观看战斗影片时始终无法忘记战场上战友对自己的一声声呼喊。

陶志纲看的原来是美国投放原子弹的视频，而美国人时刻用原子弹在要挟中国，傅首长告知我们中国人自己也要搞一个原子弹，陶志纲不敢相信他认为原子弹没那么容易制造成功，而傅首长强调共产党人就是从什么都没有和不会到现在建立新中国，所以原子弹也不是不可能成功的，至于陶志纲的任务就是保护研究原子能的科学家们，他必须要脱掉军装潜伏保护，为了祖国不再受美国要挟，成为强大的军事国家陶志纲毅然脱下军装接受任务。

钟教授回国和研究所的老孟说起国内的科研条件与美国比对确实落后了一个世纪，但有这些归国的科学家的共同努力未来一定能赶超，至于林教授已经被成功营救不日就将回到国内。王怀民在小摊上和小贩商量着买放大镜和干涉滤光片，钟教授对干涉滤光片也很有兴趣，就在王怀民和商贩交谈中被钟教授抢了先。钟教授带着宝贝找到方明将军，方将军告诉钟教授国家现在有一件大事需要他，但是他一旦接受的话就意味着在以后的若干年里要隐姓埋名消失在世界学术领域，要改变自己的研究方向，不能获取最新的学术的成果，不能成为顶级的科学家不能实现自己的科学理想，面对这些条件，钟教授沉思片刻，坚定地回答自己愿意，愿意以身许国，方将军和傅首长都很是激动，为了国家钟教授甚至改名为钟爱国。

陶志纲接受任务为研究所A所筛选审查工作人员，A所人员审查严格很多人都被拒之门外。王怀民也来应征，他知道A所就是研究原子能的机构，他表示自己在苏联留学是研究原子能物理的专家，自己了解很多关于原子能的情况，美国的核威胁加剧中国必须尽快有自己的原子能研究机构。王怀民一心想要进入机构，他的身家阶级都很清白，父亲是驻朝英雄部队的军人，哥哥在解放战争中牺牲，陶志纲决定把王怀民的情况上报领导。

A机构召集了更多从各地名牌理工大学的毕业生前来报道，黄凯华抱着自己的孩子在大门处等待，还有从北航毕业的雷达专家丁向军和哈工大毕业的彭雄飞都应召加入，他们和许许多多受到召集的毕业生们闲聊，他们并不知道这个机构是做何方向的，但是必然事关国家机密，大家都有些兴奋。王怀民为争取进入机构拦截钟教授的车辆毛遂自荐，王怀民在中科院发表的论文钟教授都看过，他在原子能方面的研究成就钟教授很是欣赏，但是陶志纲怀抱对于王怀民的偏见阻挠其进入机构，无论钟教授如何据理力争都被其拒绝。

黄凯华因为老婆离开无音讯所以只能带着孩子去应征，在召开会议之前又把孩子寄放在医院里，对于无人看管的孩子十分为难。王怀民收到父亲的来信，母亲已经去世但是父亲依然在朝鲜继续任务无法回国，王父劝王怀民另娶良配照顾他和孩子的生活。加入A所的科学家们在陶志纲的带领下宣誓，严格遵守保密制度，承担保密国家机密安全的重要任务。宣誓完毕，钟教授拿出一块铀矿石展示给大家看，它具有核反应，在座的各位见到铀矿石都很激动，钟教授向大家交底，A所就是原子能研究机构，机构的研究方向就是原子弹，研究出属于中国自己的原子弹，为了祖国的强大和世界的和平与发展，这将是这个时代最伟大的工程，在座的各位科学家为此将奉献自己的青春。

王怀民回到家中，杨佳蓉正带着小振理照顾小兔子，振理对于杨佳蓉的依赖非常深，王怀民也十分放心地将振理交给杨佳蓉照顾。历经几年钟心终于回国，钟教授很开心女儿回到国内，父女两终于团圆，可以一起为国奉献。王怀民考虑再三决定自己来照顾振理，但是王怀民没日没夜研究、振理周末不用上幼儿园、振理生气耍脾气的时候，王怀民都无法很好地照顾好他，所以杨佳蓉根本没法放心，她不怕人家说闲话愿意照顾振理，除非王怀民愿意再婚，但这条已然行不通，所以还是由杨佳蓉来照顾。在中国核工业的研究过程中有很多苏联的科学家援助，帮助中国核工业走上起步阶段，但面对苏联专家的学术交流我国的科学家还是稍显不足。王怀民去找杨佳蓉时才知道她已经离开原来工作的医院。

王怀民在医院同事的带领下在北京一处防疫站找到杨佳蓉，只是远远地看着未近身，同事告诉王怀民杨佳蓉为何要申请调离工作的原因是医院有谣言说杨佳蓉暗恋王怀民才故意害死何吟薇，杨佳蓉这么多年以来无怨无悔无名无分地做着振理的假妈妈，而且她不愿意王怀民知道这些，因为这么多年以来杨佳蓉一直活在自责当中。王怀民很感动杨佳蓉为自己所做的一切，决心不能再这样耽误杨佳蓉。

钟教授和A所的领导与苏联专家见面表示有苏联的帮助加上国内科学家的共同努力，中国的第一颗原子弹一定能很快爆炸成功，苏联专家却预判需要十年，美国曼哈顿计划投入很多人力物力也花了三年，苏联举全国之力也花费了五年，考虑到中国的综合国力十年不长，苏联专家提出需要一位得到过苏联功勋院士认可的科学家王怀民，陶志纲为拒绝过王怀民感到很震惊。会后陶志纲向傅首长坦白王怀民的事情，傅首长批评并卸下了陶志纲这么久以来一直扎着的军用皮腰带让他要放下过去。王怀民顺利进入A所，但是陶志纲对王怀民偏见依然存在，王怀民借着法的讽刺陶志纲眼界不明。

王怀民进入A所就看见正在拉琴的钟心，一时想起了自己的妻子何吟薇。钟心的琴声引得大家的掌声，但也引来了陶志纲的质询并与其产生争执，钟教授赶到时向陶志纲解释钟心的情况暂时化解了矛盾。彭雄飞和黄凯华针对中西方科学文化的重要性发生辩论，二者各执己见回到宿舍却看见早早等在里面的王怀民，王怀民与大家做了个简短的介绍和说明，并在宿舍布置了各种保持安静的标语，布置完成临离开宿舍前还向彭雄飞澄清当年在苏联带领同学们争取权益的是黄凯华。

丁向军却认为王怀民是个精神不太正常的人。钟心的美国官司败诉不能在研究成果上署名，美国就是自诩民主其实充斥着种族歧视，钟心才明白没有祖国的中国人不会被外国人瞧得起。钟心正与父亲争执关于问题的假设，正巧王怀民赶到，钟心向王怀民提问改变自己的研究方向他是否愿意，王怀民比喻自己为疯子，愿意去完成一项很难完成的任务，以此说服了钟心。钟教授诚心欢迎王怀民加入A所共同为国家研制原子弹，王怀民倒是很怀疑钟教授的真实身份，钟教授一再说明自己只是个爱国者。

黄凯华从医院接回孩子小建国去见妻子，妻子君怡抱怨黄凯华完全把自己投身于机密工作而不曾体谅自己的辛苦，两人因为黄凯华的事业问题再次谈崩，君怡提出离婚决绝离开。杨佳蓉收到组织推荐入学高级医师班，她多年来的梦想就要实现了。苏联专家的第一堂课就给A所科学家提出要在半年内学会俄语并且不允许会俄语的人搞特殊化提前进入原子弹研究，这让王怀民和黄凯华很是无奈。王怀民从原来的幼儿园接走振理并送入另外的托儿所，振理已然是不认识爸爸，正巧碰见黄凯华也把建国送入托儿所，两人一番感慨。杨佳蓉找寻振理和王怀民未果很是着急。

王怀民没和其他人一起聚在一起研究而是单独制造工具。黄凯华遇见苏联专家安德烈要其为自己解释书中遇到的公式难题，但是苏联人并不想让中国人学会这样重要的原子弹制造公式。大家洗衣服闲聊的时候说起苏联专家团的团长彼得只是搞保密工作的而不是真正的物理学家，说着说着又玩笑起来。回到宿舍看见王怀民做出的一些精密仪器，彭雄飞看不上王怀民还认为他不合群，王怀民倒觉得大家都是科研人员而不是建筑工人所以不用浪费无用的时间在那些东西上面。黄凯华帮着王怀民向彭雄飞解释王怀民自从妻子去世之后背负的是两个人的科学理想所以脾气更怪。

陶志纲怀疑王怀民偷窃资料随意翻动王怀民的物品，两人起了一番争执，但属下告知陶志纲丢失文件已经找到，陶志纲没有认错还警告王怀民让拿来锻炼的自制自行车回位。陶志纲面对苏联专家递还已经找到的资料，苏联人还为陶志纲随便找人搜查驻地生气，但是陶志纲再三强调文件在苏联驻地找到苏联人自己弄丢了，这一说让彼得无话可说。陶志纲对之前搜查王怀民搞坏了他的留声机感到些许愧疚，打算赔偿王怀民留声机的钱。

黄凯华、彭雄飞和丁向军三人在宿舍闲聊，说起黄凯华和妻子的事情，因为黄凯华妻子的文化程度不高所以很难理解科研工作，彭雄飞顺势说所以自己来到A所，这样也不用太费心就可以寻得一位志同道合的女科学家，他还给所里所有的女科学家都打了分，但是自从钟心一来彭雄飞的目标就彻底转移了，三人正说得开心，都被门外准备赔钱的陶志纲听见了，陶志纲对他们随便议论女同志的行为感到很生气。第二日陶志纲向傅首长汇报的时候受到表扬就飘飘然向首长告黑状，这些科学家各有各的缺点建议全部劝退另找一批。首长严厉批评陶志纲的行为并且要求要给这些科学家一些转变自己思想的时间。

中苏双方高层就原子弹试验场的位置进行讨论，因为敦煌有很多重要文物，所以无法试验发射出超过两万吨的原子弹，傅首长已经请示过中央周总理，周总理指示放弃中央重新选址，并要苏联专家兑现赠送原子弹模型的承诺，但是苏联专家提出的严格要求，要试验场的卫生完全达到标准就兑现。大家都很高兴各自去到试验场进行认真打扫，唯有王怀民带着自己专属的小工具来了。苏联专家根本不相信中国科学家们短时间内能达到标准，但事实是中国人完全做到。安德烈不明白为何可以成功，中国人的意志没有什么做不到的。

杨佳蓉找不到振理只能选择报警，而后回家等待消息。与之对应的是A所也在焦急地等待着原子弹模型，但得到的消息是由于技术原因原子弹模型无法转交，这让大家十分失望。钟心带了很多行李到A所报道，被严格翻查，钟心的许多物品陶志纲和其他同志都完全不知道，陶志纲向钟心表示不能瞧不起在艰苦环境中奋斗的同志。钟心报道A所被邀请去男生宿舍，彭雄飞的小心思表露无疑，大家都很兴奋，只有王怀民待在宿舍外继续自己的研究。

杨佳蓉找不到振理和王怀民心里一直不踏实，朋友劝杨佳蓉放弃王怀民，人家是高级别的科学家可能进入了更加保密性高的研究机构，而且人家这么做就是不想耽误杨佳蓉，杨佳蓉都明白只是担心王怀民无法照顾好振理，她再三恳求朋友一定要帮助自己找到振理。宿舍中的聚会还在进行，钟心关心原子弹研制进度，但是大家把话题又转移到了钟心和彭雄飞的个人问题上。钟心玩笑过后顺嘴还关心了王怀民，大家都说王怀民是科学怪人。

陶志纲趁着没人打算自学物理却又学不明白，偷摸着学见有人进来又藏了起来。大家又讨论起苏联带领进度缓慢的事情，王怀民听见立刻冲进宿舍提议大家成立秘密小组自己进行理论问题的研究而不要依赖苏联人，但是黄凯华和彭雄飞反对，理论是知识的基础，先应该掌握苏联人的基础理论再在此上进行研究才不会走歪路，钟心赞成王怀民，建议分成两个小组，一个小组寻找问题反推理论，另一个小组带着问题压榨苏联专家，两个小组共同研究齐头并进。大家都赞成钟心，于是第二日就去向陶志纲提议邀请苏联专家参与欢迎舞会。

研究组和压榨组分别执行自己的任务，压榨组在钟心的带领下去找陶志纲要求召开欢迎舞会，苏联专家也找过陶志纲要求舞会且要邀请所里的女同志，但是陶志纲认为这有伤风化，但是钟心再三要求陶志纲终于同意。会场布置都由钟心操办，陶志纲负责检查会场安保，对着镭射灯以为是原子弹模型被钟心嘲笑。王怀民被迫请到舞会无事可干只得在一旁看书计算。钟心和丁向军、黄凯华等都借着舞会向苏联专家提问，但收获甚微。

王怀民在一旁和一位苏联专家因为破解数独杠上比赛，钟心邀请陶志纲跳舞不仅被拒绝海北陶志纲一通数落。黄凯华实在忍不了直接找到彼得说明中国真的很需要原子弹挺起腰板希望苏联专家能尽快进入正题。第二日苏联专家伊万的授课虽然多了学术内容，却全是照本宣科，而且与他原本的专业完全不搭架，众人十分失望。钟心询问王怀民研究组什么时候开始，原来王怀民一直在翻译的专业俄文资料，并且其中有很多重要的苏联人没有给的书籍，彭雄飞也理解了王怀民这段时间所做的努力，此时王怀民的书籍被大量印刷分发成为了大家的助力。

所里的科学家都集中在王怀民的寝室里听王怀民讲解书籍内容。钟心与王怀民谈起她以前最讨厌科学家的类型，王怀民则说科学家本就不是被人喜欢的，只是引领方向的航标。科学家属于未来却活在现在，科学家本来就是孤独的存在，如果人生伴侣恰好是研究伙伴那也是很幸运的事情，钟心有所触动，对王怀民颇有好感。两人聊得正好，钟教授突然出现说自己要有事离开段时间，希望王怀民照顾钟心，但是王怀民拒绝，钟教授认为王怀民很适合钟心。

钟教授与工程团团长王明山从敦煌出发经过玉门关进入罗布泊荒漠寻找试验场选址。任务有些艰巨，需要工程团带领保护。彭雄飞和丁向军、黄凯华和苏联专家斗酒打赌，苏联输了就要写下原子弹方程式，中国科学家输了就要天天请苏联人喝酒，但是苏联人酒量太好根本不能赢过，一个个都喝的软塌塌的被苏联人嘲笑，陶志纲将醉酒的人带回，自己留下与苏联人拼酒，比赛似乎是赢了但是还是没能拿到方程式。第二日，苏联专家开始讲授原子弹的基础构造，但为了保证苏联设计图的秘密性禁止记录和画图，还要求陶志纲监督大家，王怀民等分工合作每人记下一块区域的内容。

安德烈一讲解完毕内容就立即被擦掉，而且他还指明王怀民等私下研究搞小动作做些无用功。王怀民、黄凯华、彭雄飞和钟心虽然把大致的图样给记录下来，但是合在一起的方程式数字不对而且这只是人家的简单数据，核心数据根本没有向中国人透露。这样一来，除了钟心和彭雄飞，王怀民与黄凯华却有些失去信心。杨佳蓉终于找到了振理所在的幼儿园，面对年幼的振理，杨佳蓉很是心疼对着王怀民一通激动劝慰，杨佳蓉可以不做王怀民妻子但是可以做振理妈妈，王怀民最终同意由杨佳蓉照顾。

王怀民回到宿舍提笔给何吟薇写信，原子弹研究进展艰难，振理和杨佳蓉的事情他也需要好好考虑。钟教授和工程团进入罗布泊深处遇到大的沙尘暴伴随着飞石，士兵和科学家都受了轻伤，只是风沙还未过去大家可能面临迷路，路还要继续走下去，但是战士们都要一个解释，自己到底在执行什么任务。

沙漠条件艰苦，王明山带领的战士们几乎坚持不住。王明山得到了上级的允许，告诉大家正在执行的是寻找原子弹试爆地点的任务，钟教授给战士们讲解我们的国家正受着美帝国主义核武器的威胁，只有我们拥有了核武器就能抵抗帝国主义的威胁，是这个时代最伟大的任务。战士们听后热泪盈眶，表示就算牺牲也值得。苏联仍然没有送来模型，大家再次失望离开。苏联人总是诸多借口拒绝运送原子弹模型。王怀民想起钟心有照相机，于是新的计划开始了。王怀民等人用相机拍下了黑板上被擦掉的图，又在暗房做技术处理，不断拼图计算。大家夜以继日不断拼凑。

终于，一幅完整的原子弹内部结构图被拼凑出来，众人雀跃欢呼。大家商量着在发生变故之前尽可能多的掌握更多的知识和技术。不料陶志纲突然闯进来询问，而且是接到举报说这几个人特别活跃，陶志纲和众人抢夺照相机的时候曝光了相机底片，毁了大家收集到的所有资料。王怀民一通科学理论怒怼陶志纲让其无言以对。A所保密包制度实行，每个同志上下班都要领取和送还保密资料。王怀民对保密包计划信心十足，他的大脑完全可以记住所有的知识。黄凯华妻子向其提出离婚并带走孩子，陶志纲愿给黄凯华提出帮助，但是黄凯华决心已定还是签下了离婚协议。

陶志纲告诉黄凯华保密包不是针对他们几个而是更好的保护资料安全，黄凯华告诉陶志纲王怀民的事情而且劝告陶志纲更多地去了解这些科学家们。杨佳蓉冒着雨接振理回家，振理十分开心。钟心在男生水房帮王怀民和其他科学家洗衣，王怀民突然闯进水房告诉大家之前研究的九号核材料利用率低爆点低，改用五号材料，大家重新计算模型公式，再继续压榨苏联专家一定能成功研制五号材料。陶志纲告诉大家一个沉重的消息： 苏联人撤走了。苏联专家离开前，把所有带不走的资料都烧毁了。苏联单方面解除原子弹援助条约，大家情绪激动要抢回资料被拦截。但苏联之前在华所做的一切为中国第一颗原子弹研制成功打下基础。

黄凯华突然向大家宣布自己放弃研究且离婚的事情，黄凯华虽然甘心为祖国的一切奉献自己，哪怕是妻离子散只要能造成原子弹自己也认了，但是现在可能造不出原子弹自己的价值和意义全无。黄凯华第二日写信给妻子愿意调回广州与其团聚请求复婚。陶志纲紧张国家放弃制造原子弹，和傅首长说实话自己对于原子弹的感受，但是被傅首长批评，两人争辩原子弹造出不易困难重重。

王怀民去看杨佳蓉和孩子，结果杨佳蓉因为工作和照顾振理染上重感冒晕倒住院，王怀民才从杨佳蓉朋友处得知杨佳蓉是南京大屠杀的亲历者，家人全部在南京大屠杀中遇难。朋友向王怀民指明杨佳蓉的心意。黄凯华收到妻子再婚的回信，彭雄飞也得到苏联专家全面撤离的消息，两人心情不佳一起去喝酒。杨佳蓉醒来看见王怀民所做的一切很开心，杨佳蓉隐瞒1949年见过王怀民事实而且鼓励王怀民去找到自己的志同道合的人。

林安城教授带来了毛主席说的话我们可以自己试试，苏联人帮忙是好，不帮忙我们也可以。苏联专家撤走之后留给中国人的是更广阔的舞台，有更多科学英雄崛起，并且中国的三个铀矿厂都即将投入使用，那么中国要自己做原子弹，走出一条自己的原子弹之路，这个消息令众人热血沸腾。大家齐声喊着自力更生，艰苦奋斗的口号，誓要造出中国人自己的原子弹。