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。
陶志綱看的原來是美國投放原子彈的視頻，而美國人時刻用原子彈在要挾中國，傅首長告知我們中國人自己也要搞一個原子彈，陶志綱不敢相信他認為原子彈沒那么容易制造成功，而傅首長強調共產黨人就是從什么都沒有和不會到現在建立新中國，所以原子彈也不是不可能成功的，至于陶志綱的任務就是保護研究原子能的科學家們，他必須要脫掉軍裝潛伏保護，為了祖國不再受美國要挾，成為強大的軍事國家陶志綱毅然脫下軍裝接受任務。
鐘教授回國和研究所的老孟說起國內的科研條件與美國比對確實落后了一個世紀，但有這些歸國的科學家的共同努力未來一定能趕超，至于林教授已經被成功營救不日就將回到國內。王懷民在小攤上和小販商量著買放大鏡和干涉濾光片，鐘教授對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家現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術領域，要改變自己的研究方向，不能獲取最新的學術的成果，不能成為頂級的科學家不能實現自己的科學理想，面對這些條件，鐘教授沉思片刻，堅定地回答自己愿意，愿意以身許國，方將軍和傅首長都很是激動，為了國家鐘教授甚至改名為鐘愛國。
陶志綱接受任務為研究所A所篩選審查工作人員，A所人員審查嚴格很多人都被拒之門外。王懷民也來應征，他知道A所就是研究原子能的機構，他表示自己在蘇聯留學是研究原子能物理的專家，自己了解很多關于原子能的情況，美國的核威脅加劇中國必須盡快有自己的原子能研究機構。王懷民一心想要進入機構，他的身家階級都很清白，父親是駐朝英雄部隊的軍人，哥哥在解放戰爭中犧牲，陶志綱決定把王懷民的情況上報領導。
A機構召集了更多從各地名牌理工大學的畢業生前來報道，黃凱華抱著自己的孩子在大門處等待，還有從北航畢業的雷達專家丁向軍和哈工大畢業的彭雄飛都應召加入，他們和許許多多受到召集的畢業生們閑聊，他們并不知道這個機構是做何方向的，但是必然事關國家機密，大家都有些興奮。王懷民為爭取進入機構攔截鐘教授的車輛毛遂自薦，王懷民在中科院發表的論文鐘教授都看過，他在原子能方面的研究成就鐘教授很是欣賞，但是陶志綱懷抱對于王懷民的偏見阻撓其進入機構，無論鐘教授如何據理力爭都被其拒絕。
黃凱華因為老婆離開無音訊所以只能帶著孩子去應征，在召開會議之前又把孩子寄放在醫院里，對于無人看管的孩子十分為難。王懷民收到父親的來信，母親已經去世但是父親依然在朝鮮繼續任務無法回國，王父勸王懷民另娶良配照顧他和孩子的生活。加入A所的科學家們在陶志綱的帶領下宣誓，嚴格遵守保密制度，承擔保密國家機密安全的重要任務。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，在座的各位見到鈾礦石都很激動，鐘教授向大家交底，A所就是原子能研究機構，機構的研究方向就是原子彈，研究出屬于中國自己的原子彈，為了祖國的強大和世界的和平與發展，這將是這個時代最偉大的工程，在座的各位科學家為此將奉獻自己的青春。
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。歷經幾年鐘心終于回國，鐘教授很開心女兒回到國內，父女兩終于團圓，可以一起為國奉獻。王懷民考慮再三決定自己來照顧振理，但是王懷民沒日沒夜研究、振理周末不用上幼兒園、振理生氣耍脾氣的時候，王懷民都無法很好地照顧好他，所以楊佳蓉根本沒法放心，她不怕人家說閑話愿意照顧振理，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照顧。在中國核工業的研究過程中有很多蘇聯的科學家援助，幫助中國核工業走上起步階段，但面對蘇聯專家的學術交流我國的科學家還是稍顯不足。王懷民去找楊佳蓉時才知道她已經離開原來工作的醫院。
王懷民在醫院同事的帶領下在北京一處防疫站找到楊佳蓉，只是遠遠地看著未近身，同事告訴王懷民楊佳蓉為何要申請調離工作的原因是醫院有謠言說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無怨無悔無名無分地做著振理的假媽媽，而且她不愿意王懷民知道這些，因為這么多年以來楊佳蓉一直活在自責當中。王懷民很感動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所的領導與蘇聯專家見面表示有蘇聯的幫助加上國內科學家的共同努力，中國的第一顆原子彈一定能很快爆炸成功，蘇聯專家卻預判需要十年，美國曼哈頓計劃投入很多人力物力也花了三年，蘇聯舉全國之力也花費了五年，考慮到中國的綜合國力十年不長，蘇聯專家提出需要一位得到過蘇聯功勛院士認可的科學家王懷民，陶志綱為拒絕過王懷民感到很震驚。會后陶志綱向傅首長坦白王懷民的事情，傅首長批評并卸下了陶志綱這么久以來一直扎著的軍用皮腰帶讓他要放下過去。王懷民順利進入A所，但是陶志綱對王懷民偏見依然存在，王懷民借著法的諷刺陶志綱眼界不明。
王懷民進入A所就看見正在拉琴的鐘心，一時想起了自己的妻子何吟薇。鐘心的琴聲引得大家的掌聲，但也引來了陶志綱的質詢并與其產生爭執，鐘教授趕到時向陶志綱解釋鐘心的情況暫時化解了矛盾。彭雄飛和黃凱華針對中西方科學文化的重要性發生辯論，二者各執己見回到宿舍卻看見早早等在里面的王懷民，王懷民與大家做了個簡短的介紹和說明，并在宿舍布置了各種保持安靜的標語，布置完成臨離開宿舍前還向彭雄飛澄清當年在蘇聯帶領同學們爭取權益的是黃凱華。
丁向軍卻認為王懷民是個精神不太正常的人。鐘心的美國官司敗訴不能在研究成果上署名，美國就是自詡民主其實充斥著種族歧視，鐘心才明白沒有祖國的中國人不會被外國人瞧得起。鐘心正與父親爭執關于問題的假設，正巧王懷民趕到，鐘心向王懷民提問改變自己的研究方向他是否愿意，王懷民比喻自己為瘋子，愿意去完成一項很難完成的任務，以此說服了鐘心。鐘教授誠心歡迎王懷民加入A所共同為國家研制原子彈，王懷民倒是很懷疑鐘教授的真實身份，鐘教授一再說明自己只是個愛國者。
黃凱華從醫院接回孩子小建國去見妻子，妻子君怡抱怨黃凱華完全把自己投身于機密工作而不曾體諒自己的辛苦，兩人因為黃凱華的事業問題再次談崩，君怡提出離婚決絕離開。楊佳蓉收到組織推薦入學高級醫師班，她多年來的夢想就要實現了。蘇聯專家的第一堂課就給A所科學家提出要在半年內學會俄語并且不允許會俄語的人搞特殊化提前進入原子彈研究，這讓王懷民和黃凱華很是無奈。王懷民從原來的幼兒園接走振理并送入另外的托兒所，振理已然是不認識爸爸，正巧碰見黃凱華也把建國送入托兒所，兩人一番感慨。楊佳蓉找尋振理和王懷民未果很是著急。
王懷民沒和其他人一起聚在一起研究而是單獨制造工具。黃凱華遇見蘇聯專家安德烈要其為自己解釋書中遇到的公式難題，但是蘇聯人并不想讓中國人學會這樣重要的原子彈制造公式。大家洗衣服閑聊的時候說起蘇聯專家團的團長彼得只是搞保密工作的而不是真正的物理學家，說著說著又玩笑起來。回到宿舍看見王懷民做出的一些精密儀器，彭雄飛看不上王懷民還認為他不合群，王懷民倒覺得大家都是科研人員而不是建筑工人所以不用浪費無用的時間在那些東西上面。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的是兩個人的科學理想所以脾氣更怪。