总指挥带领科学家们到楼兰古城观光，第一颗原子弹即将进行爆炸试验，起爆前装置经过检验。一九六四年十月十六日十五时中国第一颗原子弹爆发出巨响，试验成功。毛泽东（唐国强饰）指示先不要在国际上公开发布。国际社会捕捉到这一动态，这个消息同时被蒋介石得知。

邓稼先的家人得知邓稼先是研究原子弹的功臣都为此感到骄傲，而邓稼先的母亲因病不治去世，邓稼先觉得愧对母亲。爱萍送给毛泽东（唐国强饰）一块原子弹爆心的石头。周恩来（孙维民饰）让奇清加强涉外的人员与物品的检查，防止敌特、间谍猎取我国情报。同时我方截获了瓦特夫妇用来窃取机密情报的老鼠、相机等。毛泽东和周恩来又委任邓稼先为首带领科学家进行氢弹的研究。

中央决定成立导弹工业部，钱学森（陈建斌饰）任副部长。瓦特和许林德互相勾结窃取我国核情报，被我方发现并严密监控并抓获。一九六四年十二月二十一日，周恩来首次提出四个现代化建设的要求。

一向反对祝寿的毛泽东（唐国强饰）在七十一岁生日那天破例宴请了一些中央领导和科学家、劳模，钱学森在这顿饭当中泛起了要让卫星升天的梦想。蒋介石约见美国代表商谈，希望寻求美国的帮助，对付中共，这时中央政府的氢弹和卫星的研究已经进入攻坚阶段。

邓稼先的努力没有白费，计算证明氢弹的理论已经成形，中国继原子弹过后仅仅一年的时间就研制出氢弹的方案。一九六五年十二月，会议决定在六七年底至六八年初对氢弹进行氢弹空投，与此同时，两弹结合工作也在进行。

郭永怀的氢弹薄壳装置为我国氢弹的重量降低了百分之二十，基本达到了实战要求，为我国氢弹事业做出了不可磨灭的贡献。国内十年文革动乱爆发，聂荣臻面临着巨大的压力，但他依然不放弃国防工作，继续进行着两弹结合的事业，并在实弹发射准备上取得了巨大突破。

周恩来赴导弹基地视察，就‘两弹结合’的相关问题与钱学森进行了深入的探讨。

1965年9月，国防科委和中科院在北京中南海会议室召开人造卫星方案论证会，中国的第一颗人造卫星有了一个响亮而亲切的名字——“东方红一号”。让全世界能听到《东方红》乐曲，以特别条款的形式也被写进卫星的总体设计方案之中。

以邓稼先，于敏为代表的青年科学家们，克服种种困难，在氢弹原理设计上，取得了突破。

1965年12月，二机部在新疆马兰核试验基地召开会议，对氢弹理论设计的“邓—于方案”进行论证。

有关氢弹弹体结构问题的研究，在郭永怀的亲自主持下，也取得了突破性进展。与此同时，两弹结合也在加快推进。

1966年2月，聂荣臻主持召开会议，邀请二机部、七机部、导弹试验基地、核试验基地的负责人参加，再次研究“两弹结合”试验方案。

10月20日夜，周恩来在人民大会堂主持召开“两弹结合”试验的最后一次中央专委会议。四天后，周恩来、聂荣臻、叶剑英前往钓鱼台，向毛泽东详细汇报这次试验的准备工作。

10月25日，病中的聂荣臻带着氧气袋赶赴东风导弹发射基地，和钱学森、李觉、张震寰、李福泽等人一起全面检查各项工作，排除了各项隐患。