50年代初期，新生的中國(guó)一直被核恐嚇的陰云籠罩，在朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)以及臺(tái)海戰(zhàn)爭(zhēng)中美國(guó)不止一次利用核武器威脅中國(guó)，就是在這樣的背景下中國(guó)開(kāi)始了研究核武器這樣一個(gè)偉大而又艱巨的征程。受數(shù)學(xué)教華羅庚歸國(guó)前和同學(xué)們留下的話語(yǔ)感召，留美鐘培林教授要帶著自己的學(xué)術(shù)成果回到疑難多多的祖國(guó)，為祖國(guó)獻(xiàn)出自己的力量，但是女兒鐘心勸說(shuō)父親不要著急回國(guó)，可以等自己的學(xué)術(shù)結(jié)果完成之后再考慮，但是鐘教授心意已決，科學(xué)沒(méi)有國(guó)界但是科學(xué)家有國(guó)界，新生的祖國(guó)還需要更多科學(xué)家去建設(shè)，祖國(guó)才是中國(guó)人的根。
鐘教授秘密與一些留美的教授見(jiàn)面，其中就有一直被監(jiān)視好不容易擺脫的林教授，大家正在商量如何離開(kāi)美國(guó)回到祖國(guó)的懷抱，美國(guó)警方就上門(mén)來(lái)逮捕林教授，大家匆忙離開(kāi)，林教授只交代了鐘教授找到方明就能營(yíng)救自己回國(guó)，送走了大家林教授獨(dú)自一人面對(duì)美國(guó)警察。王懷民和何吟薇是一對(duì)留學(xué)蘇聯(lián)研究物理學(xué)的夫妻，蘇聯(lián)為留住在物理學(xué)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(lián)國(guó)籍和最好的教育，同時(shí)讓兩人立刻加入國(guó)家科學(xué)研究院。以黃凱華為首的其他同學(xué)要離開(kāi)蘇聯(lián)回去支援祖國(guó)，大家都有些瞧不起要留下的王懷民夫婦，憤而離開(kāi)了。
鐘教授等面對(duì)美國(guó)海關(guān)層層審查，女兒鐘心早已和移民局打好關(guān)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(guò)，和父親分別時(shí)承諾祖國(guó)見(jiàn)，父女兩依依不舍。這些深居海外的中國(guó)科學(xué)家響應(yīng)祖國(guó)號(hào)召，放棄了比較完善的科研環(huán)境義無(wú)反顧地回到祖國(guó)。這其中也包括了王懷民夫婦，他們最終放棄了蘇聯(lián)開(kāi)出的優(yōu)渥條件坐上了回國(guó)的列車(chē)。同學(xué)們都好奇王懷民和何吟薇為何決定回國(guó)，王懷民將深藏在畫(huà)中的科研數(shù)據(jù)亮給同學(xué)們看，同學(xué)們都很激動(dòng)。
王懷民要繼續(xù)將其余油畫(huà)上的數(shù)據(jù)展示，準(zhǔn)備蒸餾出更多的酒精去擦拭顏料顯露數(shù)據(jù)，卻被中國(guó)解放軍陶志綱出手制止，他以為這些歸國(guó)的科學(xué)家只是不學(xué)無(wú)術(shù)浪費(fèi)糧食的文人，與眾人一番爭(zhēng)執(zhí)還是拿走了酒。但其是從朝鮮戰(zhàn)場(chǎng)上下來(lái)的解放軍，戰(zhàn)爭(zhēng)的陰影還深深地影響著他。一下火車(chē)就有老戰(zhàn)友接待，并著當(dāng)?shù)氐谖遽t(yī)院的護(hù)士和楊佳蓉準(zhǔn)備接其去醫(yī)院進(jìn)行治療，但是陶志綱堅(jiān)稱自己病已經(jīng)痊愈不用去醫(yī)院，但在楊佳蓉一番勸說(shuō)之下乖乖地去往醫(yī)院。
一路尾隨王懷民和何吟薇的特務(wù)在下車(chē)時(shí)伺機(jī)搶奪箱子里的資料，特務(wù)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(wù)。被特務(wù)推倒的何吟薇遭遇早產(chǎn)加難產(chǎn)，楊佳蓉一直在旁幫助。特務(wù)一直在逃竄，手中還有武器用來(lái)傷人，在竄上正在行進(jìn)的火車(chē)時(shí)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(guò)去了。等他再醒來(lái)時(shí)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(méi)能挽回一條人命而痛哭答應(yīng)。
王懷民沒(méi)能從失去妻子的痛苦中走出，他質(zhì)問(wèn)楊佳蓉為何沒(méi)有基本的醫(yī)療常識(shí)救活一條活生生的人命，但是楊佳蓉作為一名護(hù)士對(duì)于產(chǎn)婦大出血的情況也無(wú)能為力，陶志綱訓(xùn)斥王懷民為何要將所有的錯(cuò)怪罪在一個(gè)小姑娘身上，。王懷民沒(méi)有照顧兒子，而是不斷地給妻子何吟薇寫(xiě)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(dān)負(fù)起兩個(gè)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(wú)措。陶志綱在觀看戰(zhàn)斗影片時(shí)始終無(wú)法忘記戰(zhàn)場(chǎng)上戰(zhàn)友對(duì)自己的一聲聲呼喊。
陶志綱看的原來(lái)是美國(guó)投放原子彈的視頻，而美國(guó)人時(shí)刻用原子彈在要挾中國(guó)，傅首長(zhǎng)告知我們中國(guó)人自己也要搞一個(gè)原子彈，陶志綱不敢相信他認(rèn)為原子彈沒(méi)那么容易制造成功，而傅首長(zhǎng)強(qiáng)調(diào)共產(chǎn)黨人就是從什么都沒(méi)有和不會(huì)到現(xiàn)在建立新中國(guó)，所以原子彈也不是不可能成功的，至于陶志綱的任務(wù)就是保護(hù)研究原子能的科學(xué)家們，他必須要脫掉軍裝潛伏保護(hù)，為了祖國(guó)不再受美國(guó)要挾，成為強(qiáng)大的軍事國(guó)家陶志綱毅然脫下軍裝接受任務(wù)。
鐘教授回國(guó)和研究所的老孟說(shuō)起國(guó)內(nèi)的科研條件與美國(guó)比對(duì)確實(shí)落后了一個(gè)世紀(jì)，但有這些歸國(guó)的科學(xué)家的共同努力未來(lái)一定能趕超，至于林教授已經(jīng)被成功營(yíng)救不日就將回到國(guó)內(nèi)。王懷民在小攤上和小販商量著買(mǎi)放大鏡和干涉濾光片，鐘教授對(duì)干涉濾光片也很有興趣，就在王懷民和商販交談中被鐘教授搶了先。鐘教授帶著寶貝找到方明將軍，方將軍告訴鐘教授國(guó)家現(xiàn)在有一件大事需要他，但是他一旦接受的話就意味著在以后的若干年里要隱姓埋名消失在世界學(xué)術(shù)領(lǐng)域，要改變自己的研究方向，不能獲取最新的學(xué)術(shù)的成果，不能成為頂級(jí)的科學(xué)家不能實(shí)現(xiàn)自己的科學(xué)理想，面對(duì)這些條件，鐘教授沉思片刻，堅(jiān)定地回答自己愿意，愿意以身許國(guó)，方將軍和傅首長(zhǎng)都很是激動(dòng)，為了國(guó)家鐘教授甚至改名為鐘愛(ài)國(guó)。
陶志綱接受任務(wù)為研究所A所篩選審查工作人員，A所人員審查嚴(yán)格很多人都被拒之門(mén)外。王懷民也來(lái)應(yīng)征，他知道A所就是研究原子能的機(jī)構(gòu)，他表示自己在蘇聯(lián)留學(xué)是研究原子能物理的專家，自己了解很多關(guān)于原子能的情況，美國(guó)的核威脅加劇中國(guó)必須盡快有自己的原子能研究機(jī)構(gòu)。王懷民一心想要進(jìn)入機(jī)構(gòu)，他的身家階級(jí)都很清白，父親是駐朝英雄部隊(duì)的軍人，哥哥在解放戰(zhàn)爭(zhēng)中犧牲，陶志綱決定把王懷民的情況上報(bào)領(lǐng)導(dǎo)。
A機(jī)構(gòu)召集了更多從各地名牌理工大學(xué)的畢業(yè)生前來(lái)報(bào)道，黃凱華抱著自己的孩子在大門(mén)處等待，還有從北航畢業(yè)的雷達(dá)專家丁向軍和哈工大畢業(yè)的彭雄飛都應(yīng)召加入，他們和許許多多受到召集的畢業(yè)生們閑聊，他們并不知道這個(gè)機(jī)構(gòu)是做何方向的，但是必然事關(guān)國(guó)家機(jī)密，大家都有些興奮。王懷民為爭(zhēng)取進(jìn)入機(jī)構(gòu)攔截鐘教授的車(chē)輛毛遂自薦，王懷民在中科院發(fā)表的論文鐘教授都看過(guò)，他在原子能方面的研究成就鐘教授很是欣賞，但是陶志綱懷抱對(duì)于王懷民的偏見(jiàn)阻撓其進(jìn)入機(jī)構(gòu)，無(wú)論鐘教授如何據(jù)理力爭(zhēng)都被其拒絕。
黃凱華因?yàn)槔掀烹x開(kāi)無(wú)音訊所以只能帶著孩子去應(yīng)征，在召開(kāi)會(huì)議之前又把孩子寄放在醫(yī)院里，對(duì)于無(wú)人看管的孩子十分為難。王懷民收到父親的來(lái)信，母親已經(jīng)去世但是父親依然在朝鮮繼續(xù)任務(wù)無(wú)法回國(guó)，王父勸王懷民另娶良配照顧他和孩子的生活。加入A所的科學(xué)家們?cè)谔罩揪V的帶領(lǐng)下宣誓，嚴(yán)格遵守保密制度，承擔(dān)保密?chē)?guó)家機(jī)密安全的重要任務(wù)。宣誓完畢，鐘教授拿出一塊鈾礦石展示給大家看，它具有核反應(yīng)，在座的各位見(jiàn)到鈾礦石都很激動(dòng)，鐘教授向大家交底，A所就是原子能研究機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)的研究方向就是原子彈，研究出屬于中國(guó)自己的原子彈，為了祖國(guó)的強(qiáng)大和世界的和平與發(fā)展，這將是這個(gè)時(shí)代最偉大的工程，在座的各位科學(xué)家為此將奉獻(xiàn)自己的青春。
王懷民回到家中，楊佳蓉正帶著小振理照顧小兔子，振理對(duì)于楊佳蓉的依賴非常深，王懷民也十分放心地將振理交給楊佳蓉照顧。歷經(jīng)幾年鐘心終于回國(guó)，鐘教授很開(kāi)心女兒回到國(guó)內(nèi)，父女兩終于團(tuán)圓，可以一起為國(guó)奉獻(xiàn)。王懷民考慮再三決定自己來(lái)照顧振理，但是王懷民沒(méi)日沒(méi)夜研究、振理周末不用上幼兒園、振理生氣耍脾氣的時(shí)候，王懷民都無(wú)法很好地照顧好他，所以楊佳蓉根本沒(méi)法放心，她不怕人家說(shuō)閑話愿意照顧振理，除非王懷民愿意再婚，但這條已然行不通，所以還是由楊佳蓉來(lái)照顧。在中國(guó)核工業(yè)的研究過(guò)程中有很多蘇聯(lián)的科學(xué)家援助，幫助中國(guó)核工業(yè)走上起步階段，但面對(duì)蘇聯(lián)專家的學(xué)術(shù)交流我國(guó)的科學(xué)家還是稍顯不足。王懷民去找楊佳蓉時(shí)才知道她已經(jīng)離開(kāi)原來(lái)工作的醫(yī)院。
王懷民在醫(yī)院同事的帶領(lǐng)下在北京一處防疫站找到楊佳蓉，只是遠(yuǎn)遠(yuǎn)地看著未近身，同事告訴王懷民楊佳蓉為何要申請(qǐng)調(diào)離工作的原因是醫(yī)院有謠言說(shuō)楊佳蓉暗戀王懷民才故意害死何吟薇，楊佳蓉這么多年以來(lái)無(wú)怨無(wú)悔無(wú)名無(wú)分地做著振理的假媽媽，而且她不愿意王懷民知道這些，因?yàn)檫@么多年以來(lái)?xiàng)罴讶匾恢被钤谧载?zé)當(dāng)中。王懷民很感動(dòng)楊佳蓉為自己所做的一切，決心不能再這樣耽誤楊佳蓉。
鐘教授和A所的領(lǐng)導(dǎo)與蘇聯(lián)專家見(jiàn)面表示有蘇聯(lián)的幫助加上國(guó)內(nèi)科學(xué)家的共同努力，中國(guó)的第一顆原子彈一定能很快爆炸成功，蘇聯(lián)專家卻預(yù)判需要十年，美國(guó)曼哈頓計(jì)劃投入很多人力物力也花了三年，蘇聯(lián)舉全國(guó)之力也花費(fèi)了五年，考慮到中國(guó)的綜合國(guó)力十年不長(zhǎng)，蘇聯(lián)專家提出需要一位得到過(guò)蘇聯(lián)功勛院士認(rèn)可的科學(xué)家王懷民，陶志綱為拒絕過(guò)王懷民感到很震驚。會(huì)后陶志綱向傅首長(zhǎng)坦白王懷民的事情，傅首長(zhǎng)批評(píng)并卸下了陶志綱這么久以來(lái)一直扎著的軍用皮腰帶讓他要放下過(guò)去。王懷民順利進(jìn)入A所，但是陶志綱對(duì)王懷民偏見(jiàn)依然存在，王懷民借著法的諷刺陶志綱眼界不明。
王懷民進(jìn)入A所就看見(jiàn)正在拉琴的鐘心，一時(shí)想起了自己的妻子何吟薇。鐘心的琴聲引得大家的掌聲，但也引來(lái)了陶志綱的質(zhì)詢并與其產(chǎn)生爭(zhēng)執(zhí)，鐘教授趕到時(shí)向陶志綱解釋鐘心的情況暫時(shí)化解了矛盾。彭雄飛和黃凱華針對(duì)中西方科學(xué)文化的重要性發(fā)生辯論，二者各執(zhí)己見(jiàn)回到宿舍卻看見(jiàn)早早等在里面的王懷民，王懷民與大家做了個(gè)簡(jiǎn)短的介紹和說(shuō)明，并在宿舍布置了各種保持安靜的標(biāo)語(yǔ)，布置完成臨離開(kāi)宿舍前還向彭雄飛澄清當(dāng)年在蘇聯(lián)帶領(lǐng)同學(xué)們爭(zhēng)取權(quán)益的是黃凱華。
丁向軍卻認(rèn)為王懷民是個(gè)精神不太正常的人。鐘心的美國(guó)官司敗訴不能在研究成果上署名，美國(guó)就是自詡民主其實(shí)充斥著種族歧視，鐘心才明白沒(méi)有祖國(guó)的中國(guó)人不會(huì)被外國(guó)人瞧得起。鐘心正與父親爭(zhēng)執(zhí)關(guān)于問(wèn)題的假設(shè)，正巧王懷民趕到，鐘心向王懷民提問(wèn)改變自己的研究方向他是否愿意，王懷民比喻自己為瘋子，愿意去完成一項(xiàng)很難完成的任務(wù)，以此說(shuō)服了鐘心。鐘教授誠(chéng)心歡迎王懷民加入A所共同為國(guó)家研制原子彈，王懷民倒是很懷疑鐘教授的真實(shí)身份，鐘教授一再說(shuō)明自己只是個(gè)愛(ài)國(guó)者。
黃凱華從醫(yī)院接回孩子小建國(guó)去見(jiàn)妻子，妻子君怡抱怨黃凱華完全把自己投身于機(jī)密工作而不曾體諒自己的辛苦，兩人因?yàn)辄S凱華的事業(yè)問(wèn)題再次談崩，君怡提出離婚決絕離開(kāi)。楊佳蓉收到組織推薦入學(xué)高級(jí)醫(yī)師班，她多年來(lái)的夢(mèng)想就要實(shí)現(xiàn)了。蘇聯(lián)專家的第一堂課就給A所科學(xué)家提出要在半年內(nèi)學(xué)會(huì)俄語(yǔ)并且不允許會(huì)俄語(yǔ)的人搞特殊化提前進(jìn)入原子彈研究，這讓王懷民和黃凱華很是無(wú)奈。王懷民從原來(lái)的幼兒園接走振理并送入另外的托兒所，振理已然是不認(rèn)識(shí)爸爸，正巧碰見(jiàn)黃凱華也把建國(guó)送入托兒所，兩人一番感慨。楊佳蓉找尋振理和王懷民未果很是著急。
王懷民沒(méi)和其他人一起聚在一起研究而是單獨(dú)制造工具。黃凱華遇見(jiàn)蘇聯(lián)專家安德烈要其為自己解釋書(shū)中遇到的公式難題，但是蘇聯(lián)人并不想讓中國(guó)人學(xué)會(huì)這樣重要的原子彈制造公式。大家洗衣服閑聊的時(shí)候說(shuō)起蘇聯(lián)專家團(tuán)的團(tuán)長(zhǎng)彼得只是搞保密工作的而不是真正的物理學(xué)家，說(shuō)著說(shuō)著又玩笑起來(lái)。回到宿舍看見(jiàn)王懷民做出的一些精密儀器，彭雄飛看不上王懷民還認(rèn)為他不合群，王懷民倒覺(jué)得大家都是科研人員而不是建筑工人所以不用浪費(fèi)無(wú)用的時(shí)間在那些東西上面。黃凱華幫著王懷民向彭雄飛解釋王懷民自從妻子去世之后背負(fù)的是兩個(gè)人的科學(xué)理想所以脾氣更怪。