两弹小组除了大家的一腔热情只剩下重重困难，陶志纲带着几位刚分配下来的新同志到实验室和大家见面，其中有一位叫常玉婷的女生直接对着王怀民做自我介绍，王怀民对其态度平常。黄凯华被调到两弹结合小组，但其为639准备的一系列理论知识就要转移给黄凯华，即使再觉得可惜也表示自己会遵从上级安排好好工作的。陶志纲和钟心在操场散步，聊着如何让钟心的父亲钟培林同意二人的婚事，正巧看见杨佳蓉独自坐在操场边垂泪。

杨佳蓉手中拿着王怀民给的信抱住钟心说自己很难受，陶志纲和钟心才知道王怀民的情况，陶志纲倒是果决提议霸王硬上弓，把酒席、宾客和新娘子都准备好直接逼迫王怀民成婚，但是钟心认为王怀民的决定倒是为两人以后着想，结为夫妻之后要面对的抉择可能更痛苦，杨佳蓉听不进一切提议质疑是否为国家做贡献的科学家都无法拥有爱情。王怀民依旧咳嗽不断持续研究，因为氢弹的爆炸当量计算不够，常玉婷却莽撞提出自己的算法被王怀民批评，只有彭雄飞为其说话。江水宁已经在生活区的供销社工作。

彭雄飞为自己没有当上主任感到有些不忿，倒不是在乎官位只是这关乎荣誉和组织的信任让其特别心寒，即使这样还是没有影响其继续研究爆轰。江水宁和黄凯华一起收拾屋子，黄凯华发现垃圾桶里有许多量子图形的草稿纸，黄凯华虽然有所怀疑但还是被江水宁掩盖了过去。第二日江水宁拿出自己给黄凯华买的新皮鞋还半撒娇似哄着黄凯华穿去上班。两弹结合小组内部分歧严重，钟心与人针锋相对，因为导弹研究组始终坚持要钟心小组将原子弹的设计完全服从于导弹。

钟教授及时赶到听取两边的意见，又竭力劝说两边不仅从技术层面思考两弹结合更要坚持两弹信念，克服困难完成任务。经劝导后才冰释前嫌，双方决定精诚合作。黄凯华因为去艰苦的地方工作所以把皮鞋换下交给江水宁清洗，江水宁把黄凯华鞋底的灰尘收集。指挥室内，彭雄飞正在分析试验进度，医院打来电话通知他李彩兰马上要生了。彭雄飞急忙赶往医院时，彩兰已经生下了女儿，彭雄飞高兴激动地不得了直呼女儿是爸爸的小棉袄。傅首长找陶志纲谈话说起他的感情问题，陶志纲表示自己会坚持，但是傅首长指示交代其不要因为感情问题影响到科研工作，陶志纲立刻保证。

彩兰和彭雄飞的女儿脑袋出现一点小异常，但经过医院全面检查是完全没有问题的，孩子和彩兰没有问题，又有彭雄飞在照顾着，大家都放心回去各自岗位。医院走廊上，杨佳蓉注意到江水宁的面色不太正常，建议她去产科检查身体，江水宁听后心中一惊。王怀民再次抽血检查，王怀民拒绝让杨佳蓉做自己的主治医生，石红英递给他一份全新的治疗方案后忽然泪流满面。

原来杨佳蓉为了找到更好的治疗方案，瞒着王怀民用自己的身体做试验，王怀民坚决反对的同时也深受感动。县城招待所，江水宁将自己收集的黄凯华鞋底的灰土交给老康带回去分析研究，江水宁通过供销社商品销售数量推算基地科技人员人数，分析黄凯华没有参与氢弹研究而且改行转去研究导弹。

钟心和张来相互鼓励咬紧牙关拿下两弹研究，路上陶志纲开着车来找她，陶志纲为婚事苦恼，钟心却全身心投入两弹结合研究，两人没有什么时间在一起。陶志纲决定支持钟心为先关心其要照顾好身体。看着远去的钟心陶志纲倒是真觉得科学家和其他人之间有堵很高的强。心事重重的江水宁想起自己向老康汇报的怀孕情况，老康要其生下孩子好控制黄凯华，又遇见陶志纲要采购灯泡和手套，就这样意外摔倒。

江水宁醒来后得知自己因为怀孕严重贫血，幸好这次摔跤没有影响到孩子，重要的是基地里的同志知道江水宁缺血就赶来献血，江水宁得到大家的照顾心中很是纠结也很愧疚。氢弹的研究一时陷入僵局，陶志纲突发奇想，竟然启发了王怀民和彭雄飞。杨佳蓉一直在医院里陪着江水宁，看着睡着的杨佳蓉，江水宁拿出了老康设计陷害杨佳蓉的信，是杨佳蓉的二叔亲笔写出的，而信会使得杨佳蓉万劫不复甚至会影响到王怀民，这样就进一步地破坏了氢弹的研究，江水宁很是纠结。

夜深了，两弹结合小组的同志们仍在努力工作，傅首长嘱咐大家回去休息。杨佳蓉在梦中说的王怀民有生命危险被江水宁听见。傅首长还未完全离开，却发现那间大办公室的灯又重新亮了起来，傅首长也无奈科学家们的工作热情只好放开让他们研究。杨佳蓉和江水宁说了自己与王怀民一些事情，江水宁为两个人感情的错过感到生气，表达自己观点的过程中情绪有些激动，但时代的特殊性赋予每个人特殊的任务，如果不牺牲自己那很多人就没有未来何谈美好的未来，每个人都竭尽全力地奋斗着，这一番话让江水宁很是难过竟然哭了起来。

大家研究通宵终于下班，黄凯华收到一封信。王怀民特意等在杨佳蓉办公室外找其看病，他已经向组织申请作为杨佳蓉研究辐射的一个 “试验品”，杨佳蓉接受带着王怀民到了实验室，换衣服的过程中口袋里掉出了一张纸，打开后发现那不是老康转交的信件，江水宁因为良心问题还是撕掉那封信并吃了下去。黄凯华去医院看见江水宁正在吃些什么东西，面对黄凯华的疑问，江水宁敷衍了过去。

王怀民参与彭雄飞的爆轰实验，此次的爆轰结果不错可以作为氢弹研究的开端。因为江水宁身体不适，黄凯华背着其回家，两人聊起了猪八戒和高小姐的爱情，江水宁还是说出了自己的心里话，她不希望黄凯华是个拥有秘密任务的科学家。1966年5月携带模拟核弹头的核导弹冷试验成功，两弹部门结合的很完美，接下去就是钟心即将开始核导弹热试验，但这个实验最关键的是安全问题，全部要按照预定状态下运行，这还是钟心团队的功劳。钟心回国之后面临了三次研究方向的选择，但是她没有任何怨言只有我愿意三个字，林教授也对其公开表扬。

基地生活区，王振理、黄建国等几个小孩子正在玩扔石子，建国的扔法被其他孩子取笑，江水宁便运用物理知识教儿子建国，结果建国打碎了远处的一块玻璃，他拉着江水宁跑开，匆忙之中，江水宁没来得及擦掉写在地上的物理公式，两人在一边建国突然说自己觉得江水宁越来越不像特务，这番话让江水宁有些忧心。江水宁留下的图画恰好被黄凯华看见。江水宁再次去见老康，老康质疑江水宁的工作进展，江水宁解释基地的安全性能特别高，而且建国说过自己是特务，老康要江水宁杀死建国栽赃到杨佳蓉和王怀民身上，进而破坏基地的研究核心。老康威胁江水宁必须在三天之内杀死建国否则江水宁就要先死。陶志纲找到黄凯华问钟心的去处。

陶志纲向黄凯华打听钟心最近的情况，黄凯华却给他普及了很多关于导弹的知识，又告诉其两弹小组中有七名同志自愿成为导弹控制员，他们都留下遗书时刻准备牺牲，黄凯华安慰陶志纲里边可能不会有钟心。事情却相反，钟心果决地交出了遗书志愿成为导弹控制员，与钟教授告别时钟教授答应只要她能活着回来就答应她与陶志纲结婚。这是一项关乎于全民族一百多年来梦想的任务，就是在这一天两弹实验成功，标志着中国已经拥有能够用于实战的核导弹。不光如此，639的研制也已经到了最后的关头，大家伙都激动地不行。

老康听着广播里在中国共产党的领导下核武器已经成功的消息十分嫉恨，江水宁与他都躲在暗处观察黄建国。王怀民再次来到杨佳蓉处检查身体，王怀民体内的放射性物质已经慢慢减少，多项指标都趋于正常，他能继续活向美好的未来。杨佳蓉拉着王怀民的手到众人面前要王怀民答应自己，在他任务结束的那天两人就结婚，因为以前的胆小两人之间错过了很多机会，现在杨佳蓉好不容易勇敢了起来，王怀民坚定地许诺等任务完成不管生死无所畏惧一定与杨佳蓉结婚，两人相拥。

江水宁想要伤害建国可是终究不忍心还是交代建国最近要时刻小心除非见到父亲不然不要和任何人走，建国乖巧答应。钟心带着资料被一群人围着，幸亏陶志纲带着战士及时赶到解救钟心。江水宁突然收拾行李要去北京，只和黄凯华说舅舅病重自己要临时回去，黄凯华心中起疑在送江水宁离开时问她还有啥要对自己坦白的，江水宁叮嘱黄凯华要保护好自己和建国又依依不舍地抱着黄凯华然后乘车离开。钟心带着绝密资料回到基地交给王怀民，这一切得亏陶志纲，钟教授与陶志纲握手感谢哪知陶志纲抓着手就是一通亲热地叫着岳父，钟教授想起自己的承诺最终还是默认。

黄凯华表面不动声色，却坐着下一趟车跟了上去。江水宁看到黄凯华跟来错愕不已，黄凯华坦白自己虽然平时专注研究但是搞科研的自己很注重观察，江水宁送给自己的皮鞋刮擦太过干净、而且她能看懂数据的演算过程、还有她上次吃下的纸，这些都让黄凯华产生了怀疑。说话间，她看到了外面的老康，为了黄凯华的安全江水宁设计独自离开去见老康，拿出假资料混淆得以枪指老康，但是老康似乎掌握了黄凯华的安全以此威胁到了江水宁。

王怀民发现黄凯华失踪，急忙找到陶志纲，从黄建国的口中得知黄凯华有危险，得到消息的陶志纲迅速带人赶往县城。废弃的厂房里，老康拿性命威胁逼迫黄凯华写出绝密资料。在老康的威胁下，黄凯华写下了一组方程式，老康命令江水宁解开方程，结果竟然是《歌唱祖国》的曲谱，黄凯华是怕死但是绝不会屈服于敌人的枪下，就在老康要伤害江水宁的时候陶志纲及时赶到，老康自尽。江水宁被带走抢救，她的性命保住但是孩子不幸流产，江水宁的认罪态度很好根据口供北京又抓获两名特务，黄凯华因为涉案太深也要被隔离审查，大家都十分关心相信黄凯华，因为当时现场的残酷还有黄凯华扛下所有写下的《歌唱祖国》都值得大家相信。

“文化大革命”初期正在发展中的核工业受到了影响和干扰，为了稳定局面，党中央领导人亲下指令保证核工业的正常运转。钟教授向傅首长汇报基地资料被人多势众的大串联分子抢夺并且要运走，他们连傅首长的命令也不遵从，杨佳蓉和一众科学家们手挽着手拦住串联分子装有资料的汽车离开，又是陶志纲带着士兵及时赶到，这些人的一举一动完全可以被视为间谍罪，他们要经过严格搜查才能离开基地。彭雄飞爆轰实验失败，钟心正式加入氢弹研究小组，王怀民通过简单的算式提醒大家每一个小点持续积累就会变成更大的点。

大家开心地庆祝已经成功爆炸一颗小型氢弹，完全可以在法国之前爆炸一颗名副其实的氢弹，让太阳的光芒闪耀中国的大地。由于江水宁的身份问题，黄凯华已经无法再参与研究工作。氢弹试爆当天，王怀民将黄凯华的名字一并写在工作证上。正在大家等着飞机投放639的时候却突然出现意外，好在备飞预案启动，在周总理亲自安排下聂荣臻亲临现场指挥，中国爆炸了一颗成功的完全属于自己的氢弹，我国的氢弹研究时间比世界上任何一个国家都要短，而这得到了国际的认可进入世界核武器先进国家行列。

一场集体婚礼在基地食堂举行，王怀民和杨佳蓉、陶志纲和钟心在同一天结婚。大家伙高兴，由傅首长代表讲话，这一路的风风雨雨幸福来之不易。陶志纲在台上大讲自己和钟心的恋爱过程，又许下一辈子的承诺。这个时候，公安人员悄悄控制了礼堂，他们告知王怀民，在北京抓获的一名特务原名姓杨，确实为杨佳蓉的二叔，而在他留下的书信中有杨佳蓉明确的通敌证据，将被逮捕。王怀民不顾个人的政治前途坚持举行完婚礼，向大家诉说杨佳蓉的故事，自己爱上杨佳蓉的历程，杨佳蓉一步步成为自己信仰的引领者和最忠实的伴侣。在傅首长的劝说下，公安人员同意等到婚礼结束。

婚礼结束后杨佳蓉就被押走，好不容易有家的振理眼睁睁看着杨佳蓉离开。陶志纲和傅首长还有王怀民都在拼尽全力救杨佳蓉。黄凯华撇清了特务嫌疑，但是因为过错巨大不能参与接下来的研究也不能离开基地，彭雄飞责怪黄凯华结婚太过冲动害了自己和杨佳蓉，黄凯华失落赔罪，正要离开时钟培林告诉大家自己要去北京出差，带着核材料去中央面见领导顺便帮杨佳蓉和黄凯华求情。

大家好奇钟教授到底是怎么的留美大人物，原子弹和氢弹已经成功爆炸，钟教授终于可以向大家透露自己到底是谁，钟心介绍钟教授就是国际著名的物理学家，如果没有放弃原有的研究方向归国可能早就获得诺贝尔奖了，大家都对他敬佩不已，接着跟大家聊起未来核能战略方向的问题。钟教授和女儿告别，他还欠陶志纲一个道歉约定回来之后再说出。可是谁也没想到，钟教授乘坐的飞机在北京郊外遭遇雷暴天气失事，钟教授遗体被发现时他与警卫员紧紧拥抱在一起保护了他珍贵重要的文件数据。钟心强忍住悲伤告诉了整个基地的同志，钟培林为了国家隐姓埋名，他的信仰、爱、忠诚会在每个同志的心里留下烙印，永垂不朽。

1972年，黄凯华因江水宁事件，只能在基地做清洁工，而儿子建国也已经不认他了。因为基地之外的政治气候严峻，王怀民仍然毫无杨佳蓉的音信。革委会主任曹芒打算任命彭雄飞成为院长助理，且明确告诉彭雄飞王怀民这样只专不红的科学家不可能再有出头之日，又进一步鼓动彭雄飞紧紧地团结在革委会周围，这样才能在科学史上留下名字。在大会上，曹芒宣布彭雄飞成为院长助理。钟心因为第二次先兆性流产去省城看病，但是被曹芒点名批评。钟心的身体可能不可以再怀上孩子了。

王怀民在会上提出要搞民用核电研究，把一系列被打倒的曾经参与过两弹的同志重新启用，但是曹芒完全不认同启用那些有过黑历史的同志，并且他的思想是拥有了核武器就可以战胜压过美苏，王怀民的观点与曹芒完全相反，彭雄飞似乎也站在了革委会一边。在和曹芒针锋相对之后，革委会中的人提出王怀民是要搞反动清算要和人民作对，王怀民成为批判对象。常玉婷成为彭雄飞的学术助理，奉曹芒的命令却一直在监视彭雄飞。

陶志纲被打倒下放到收发室工作，因为陶志纲当面顶撞曹芒为科学家们说话，所以被曹芒鼓动的反革命打伤接着又报复其下放。王怀民从石红英处得到了杨佳蓉在兰州一个农场的消息，他不顾路途颠簸，终于和杨佳蓉再次相见。杨佳蓉对王怀民说自己虽然已经撇清了特务嫌疑只是二叔去世很多事情说不清楚，他们也不放杨佳蓉离开，这两年里两人都互相给对方写信，可是两人都从未收到过对方的来信，虽然见面的时间很短，但二人十分珍惜在一起的每分每秒。

彭雄飞上下班都有常玉婷跟踪，基地里，黄凯华叫住了彭雄飞，并递给了彭雄飞一份研究报告，这是黄凯华在业余时间做的关于民用核电技术的研究。因为资料室和图书馆，黄凯华都无法进入，但是他克服了那么多难关还能写出如此深入的科学研究，黄凯华只是想通过自己的努力再为国家做点事，彭雄飞回想着革委会上曹芒他们对王怀民、陶志纲的针对，很多事情他也无能为力，彭雄飞承诺一定会把材料递交至学术委员会，也一定会帮大家平反。别人都说彭雄飞当官之后就变了，可是黄凯华不相信，彭雄飞坐上这个位子不是为了自己，也是有很多理想要去实现的。

钟心被拉去集中批斗会，他们被拒绝参加学术会议，彭雄飞替他们说话也被曹芒以反革命反驳，这让一个好好的学术研讨会人员参差不齐。彭雄飞要在会上分发黄凯华的学术报告进行讨论，可是得知常玉婷却表示自己无法分发。王怀民依依不舍地离开兰州农场离开杨佳蓉，杨佳蓉在书中给王怀民留下一段鼓励其继续研究民用核电的话语让王怀民倍感珍惜。黄凯华在打扫卫生时发现自己的研究报告被扔在垃圾桶内以为彭雄飞违背承诺，失望伤心无力的情绪涌上心头。原来是常玉婷自作主张丢弃了黄凯华的报告，彭雄飞无法为朋友和核电事业作出努力，他深感茫然无力。

陆大海申请调回北京可以和方小云结婚，可是联系方小云时却被无情的拒绝。黄凯华去监狱看望江水宁，江水宁拒绝与黄凯华进行探视，因为和自己的关系已经把黄凯华影响得够深了，黄凯华多年来也只要一个答案，江水宁有没有真的爱过自己，江水宁说出了自己的真实感受，即使一开始是因为特务任务接近黄凯华，但是在慢慢的相处中敬佩爱慕黄凯华，在集体中感受到家人的温暖，自己也常常幻想可以不做特务就平静幸福地在这样的日子中生活下去，但是现实击碎了她的幻想。黄凯华也要隐瞒自己的处境，但是江水宁从他的衣着细节中发觉其处境的艰难。

工厂仓库外，失魂落魄的陆大海遇到了正在吃力整理箱子的方小云，这才知道方小云是因为父亲被人污蔑成走资派而打倒，怕连累陆大海才提出分手，陆大海不管方小云是什么自己都会保护她。与黄凯华见完面之后，为了能让黄凯华不再受自己牵连，江水宁在监狱自尽，留下一封信件交与黄凯华，信中表达了对黄凯华满满的歉意和真真切切的爱，希望黄凯华迎着阳光、坚持自己的研究带着自己的期望好好活下去，黄凯华回忆起二人曾经相处的美好时光失声痛哭。

王怀民回基地时看见陶志纲在钟心的指导下练习英语，两人都急切地想要知道杨佳蓉的近况，恰好碰见振理跟着一群反革命不懂事理的孩子，王怀民把杨佳蓉送给振理的鞋子、书和信交给振理，振理已经完全脱离学校他被误导想要靠拳头打出一片天地，王怀民不希望看到这样一个振理，他慢慢地平静地给振理讲解道理，这个世界的规则一直在变只有未来是掌握在振理自己手里的，就像振理的“小羊妈妈”一路走来遇见过多少磨难但是从未放弃过自己，振理被感化渐渐意识到自己的问题。常玉婷给彭雄飞收拾书桌的时候随便翻动其资料，彭雄飞根本不在乎当官，只是想好好科研。

杨佳蓉彻底没事就基地上班了，钟心终于怀上了宝宝而且已经四个月了，她总是担心宝宝不够健康，杨佳蓉帮她诊断孩子很健康，王怀民得到她回来的消息着急地赶去见面，但是方小云突然跑出来大喊着火，车间电路老化造成的，但是车间着火不是小问题因为存有铀球毛球，一旦爆炸就会造成核辐射扩散影响到整个基地的同志。王怀民和陶志纲分别穿上防化服去寻找铀球。杨佳蓉赶到车间要求进入帮助一起寻找铀球，可是被工作人员阻拦在外。

王怀民带着铀球走出车间，杨佳蓉不顾辐射抱住了王怀民，幸亏全面检测过后王怀民由于吸入辐射时间不长没有大碍，倒是让陶志纲和钟心好一通担心。巴图已经成为连长开心地回基地找陶志纲报道，傅首长安排巴图回到基地全面接收基地保卫安全，这是巴图放弃了去北京警卫任职的机会换来的，巴图为了完成父亲老格勒的心愿保护科学家们。巴图开始了和曹芒等人的斗争，傅首长带着巴图的部队进入团团围住了曹芒等人，直接训斥曹芒不顾西部军事基地的安全守则调走所有工作人员，此事已经传至中央由病榻上的周总理亲自下令调查所有涉事人员，曹芒是绝对无法逃脱的，曹芒面对傅首长依然嘴硬，他根本做不到为了国家和人民牺牲自己，在他心里毫无信仰必须接受审查回炉重造。

转眼到了1977年，振理和建国参加高考逃跑被陶志纲压着去考场，佳蓉则和钟心一起去参加会议，钟心要做中子弹研究，而佳蓉却是做中子弹防护，俩人讨论彼此的研究要比翼双飞。黄凯华正在做研究，这时华东所的总工赶到，黄凯华看到来人震惊。傅首长叫来王怀民，原来傅首长要离休回北京了，傅首长告诉王怀民国家正在拨乱反正，问王怀民有没有什么要跟上级说的，王怀民表示自己希望国家给他们核电事业给与更大的支持，傅首长很明确地告知王怀民国家现在正要搞现代化建设，全力发展经济，核电建设指日可待。王怀民同时希望傅首长在明年的全国科学大会上为各位女科学家多申请些名额，傅首长同意。

彩兰钟心和佳蓉一起包饺子，彩兰叫雄飞剥蒜，雄飞因为跟炸弹打了半辈子交道，耳朵很不好根本听不到，大家调侃雄飞。这时怀民和傅首长也一起来，傅首长也要参加包饺子，大家正开心的时候想起黄凯华怎么还不来，正念叨着黄凯华刚好过来，还带来一个人，原来是丁向军，他这次来就是来发展核电工业的，丁向军告诉大家，自己以前就是想做惊天动地的事，但不想做隐姓埋名的人，自己当初看错了很多的人和事，还差点让国家的核事业遭受损失，但自己终于又回到这里，自己太高兴了。王怀民感叹他们四大才子终于聚齐了，傅首长告诉大家当初离开的叶昆明也一直在做检讨希望能回到核事业中的大家庭中，已经被批准。

陶志纲举杯告诉大家第一杯酒就敬给成格勒和钟教授，大家开怀一起唱歌。彩兰问佳蓉王怀民的病怎么样了，佳蓉难过的说怀民一直觉得浪费太多时间，要努力把工作赶上。彩兰嘱咐佳蓉一定要领王怀民去医院看看，石大夫告诉佳蓉王怀民的时间最多只有半年了，佳蓉很是难受伤感，石大夫让佳蓉劝劝怀民，早点接受治疗好好休息，佳蓉告诉石大夫他不可能好好休息的，他要把所有精力献给中国的核事业。

病榻之上，王怀民还是在坚持工作，佳蓉默默的陪伴他。王怀民为佳蓉做了一套新衣服，原来佳蓉明天要去参加颁奖大会，佳蓉让王怀民帮自己戴上当初他为自己做的蝴蝶胸针，王怀民直夸好看和佳蓉一起拍照留念。1999年佳蓉到夫妻树下告诉怀民他们现在都很好，盛世如他所愿。