王淦昌看着房子没盖好着急帮忙做起了泥瓦匠的活，李局狠狠批评了他，让他专心搞研究，保重身体。钱学森（陈建斌饰）由于琐事分心决定辞去五院院长职务，改做副院长，得到周恩来（孙维民饰）的批准。邓稼先因为工作冷落了家人，妻子很不满。陈能宽提出了原子弹聚焦原件设计方案，不久，王淦昌也设计出了炸药透镜聚焦的新方案，经过试验，专家选择了陈能宽的原子弹聚焦原件设计方案。三年自然灾害到来，蒋介石又蠢蠢欲动，国家形势陷入危急时刻

自然灾害期间，全国食物紧张，邓稼先把妻子寄来的饼干都分给了同志们，大家受到感动。周恩来（孙维民饰）等领导来看科技人员，帮助大家改善生活条件。钱学森（陈建斌饰）为了工作两个多月没有回家并保密自己的工作，蒋英找到聂荣臻，诉说自己的委屈。一九六零年我国第一颗导弹成功发射，钱学森到前线指挥。毛泽东、周恩来听到消息都很高兴。钱学森回到家，蒋英从广播中听到导弹发射成功理解了钱学森。根据条件，坐标一号方案被选中实施。经过日夜奋战，邓稼先等人终于得出原子弹理论设计的数据但其中一个关键数据却和苏联专家留下的数值不一样，邓稼先进行第二次运算。钱三强等人展开对氢弹的先行研究。罗布泊导弹试验基地建设工地面临严重的缺水困难

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钱三强想让周光召参加原子弹的研究，但是因为有海外关系遭到人事部门的阻挠，钱三强亲自找到总理说情获得批准。邓稼先等研究人员计算的一个重要数据与前苏联提供的不符，经过多次运算证明自己的是正确的弄清了原子弹内部的秘密。科学家们受到周恩来（孙维民饰）的宴请，同时他们也有时间回家和家人短暂团聚。台湾骚扰大陆的P-2V侦察机被中国炮军打下，然而蒋介石用更先进的U-2侦察机进犯大陆，我们却束手无策。

蒋介石用U2侦察机侦查西北导弹建造基地，周恩来命令空军司令员击破敌机的侦查。U2侦察机找到了导弹建造基地的地点，刘亚楼的申请得到中央军委的批准，地空导弹二营从北京拉出来赶往湖南设伏。全国科学技术工作会议上知识分子提出很多建议，周恩来发表讲话。东风二号导弹发射失败，聂荣臻鼓励钱学森（陈建斌饰）找出原因，大胆地干。为了战胜困难，毛泽东（唐国强饰）带头精简身边的工作人员。