50年代初期，新生的中國一直被核恐嚇的陰云籠罩，在朝鮮戰爭以及臺海戰爭中美國不止一次利用核武器威脅中國，就是在這樣的背景下中國開始了研究核武器這樣一個偉大而又艱巨的征程。受數學教華羅庚歸國前和同學們留下的話語感召，留美鐘培林教授要帶著自己的學術成果回到疑難多多的祖國，為祖國獻出自己的力量，但是女兒鐘心勸說父親不要著急回國，可以等自己的學術結果完成之后再考慮，但是鐘教授心意已決，科學沒有國界但是科學家有國界，新生的祖國還需要更多科學家去建設，祖國才是中國人的根。

鐘教授秘密與一些留美的教授見面，其中就有一直被監視好不容易擺脫的林教授，大家正在商量如何離開美國回到祖國的懷抱，美國警方就上門來逮捕林教授，大家匆忙離開，林教授只交代了鐘教授找到方明就能營救自己回國，送走了大家林教授獨自一人面對美國警察。王懷民和何吟薇是一對留學蘇聯研究物理學的夫妻，蘇聯為留住在物理學研究有突出研究能力的兩位，提出讓何吟薇還在肚中的孩子以蘇聯國籍和最好的教育，同時讓兩人立刻加入國家科學研究院。以黃凱華為首的其他同學要離開蘇聯回去支援祖國，大家都有些瞧不起要留下的王懷民夫婦，憤而離開了。

鐘教授等面對美國海關層層審查，女兒鐘心早已和移民局打好關系加入到今天的檢查翻譯工作，為父親翻譯掩蓋林教授留下的字條，使父親順利通過，和父親分別時承諾祖國見，父女兩依依不舍。這些深居海外的中國科學家響應祖國號召，放棄了比較完善的科研環境義無反顧地回到祖國。這其中也包括了王懷民夫婦，他們最終放棄了蘇聯開出的優渥條件坐上了回國的列車。同學們都好奇王懷民和何吟薇為何決定回國，王懷民將深藏在畫中的科研數據亮給同學們看，同學們都很激動。

王懷民要繼續將其余油畫上的數據展示，準備蒸餾出更多的酒精去擦拭顏料顯露數據，卻被中國解放軍陶志綱出手制止，他以為這些歸國的科學家只是不學無術浪費糧食的文人，與眾人一番爭執還是拿走了酒。但其是從朝鮮戰場上下來的解放軍，戰爭的陰影還深深地影響著他。一下火車就有老戰友接待，并著當地第五醫院的護士和楊佳蓉準備接其去醫院進行治療，但是陶志綱堅稱自己病已經痊愈不用去醫院，但在楊佳蓉一番勸說之下乖乖地去往醫院。

一路尾隨王懷民和何吟薇的特務在下車時伺機搶奪箱子里的資料，特務將何吟薇推到奪走箱子，王懷民在何吟薇的催促下拼命追著箱子，陶志綱出手幫忙追擊特務。被特務推倒的何吟薇遭遇早產加難產，楊佳蓉一直在旁幫助。特務一直在逃竄，手中還有武器用來傷人，在竄上正在行進的火車時被陶志綱用槍擊中，箱子被奪回但是王懷民被撞擊后腦勺暈過去了。等他再醒來時與妻子何吟薇已是天人永隔，生下的男孩一出生就失去母親。何吟薇臨終前再三拜托楊佳蓉要替自己照顧孩子，楊佳蓉為自己沒能挽回一條人命而痛哭答應。

王懷民沒能從失去妻子的痛苦中走出，他質問楊佳蓉為何沒有基本的醫療常識救活一條活生生的人命，但是楊佳蓉作為一名護士對于產婦大出血的情況也無能為力，陶志綱訓斥王懷民為何要將所有的錯怪罪在一個小姑娘身上，。王懷民沒有照顧兒子，而是不斷地給妻子何吟薇寫信，表示失去妻子的自己唯有努力工作才能忘記痛苦，以自己一人之軀擔負起兩個人的理想，幸好兒子振理還有楊佳蓉幫忙照顧，否則他更加手足無措。陶志綱在觀看戰斗影片時始終無法忘記戰場上戰友對自己的一聲聲呼喊。