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。