1937年抗日戰爭全面爆發，北平和天津相繼淪陷，八路軍奮勇抵抗，但因軍工技術落后，在抗戰中遇到了極大困難，大批愛國知識分子紛紛加入到抗日的洪流中。

1938年，清華大學天津辦事處的學生熊大縝拎著一箱子書籍去法租界接頭，陳廣從旅店出來，就發現四周埋伏了很多特務，他遠遠看到熊大縝用自行車推著行李箱過來，趕忙鳴槍示警，結果不幸中彈受傷，陳廣為了掩護熊大縝被埋伏的日軍團團包圍，最后被亂槍打死。

熊大縝目睹這一幕，傷心地痛不欲生，他拎著行李箱回到分社，教授葉企孫狠狠教訓了他一頓，熊大縝品學兼優，對所學的紅外線和核物理專業更是精益求精，葉企孫對他寄予厚望，費盡周折才搞到去德國留學的名額，可熊大縝一心就想研究烈性炸藥為國效力，葉企孫替他可惜，熊大縝想起慘死的陳廣，更加堅定了用自己所學知識研制烈性炸藥趕走日本人的決心。

熊大縝想去教八路軍戰士們制造火藥，他向未婚妻宜茗賠禮道歉，答應兩個月以后就回來，臨走，宜茗和熊大縝照了一張合影照片。

熊大縝和同學汪德熙一起來到八路軍冀中根據地，他們倆向戰士們傳授黑火藥的知識，戰士們聽不懂。由于運輸線路被日軍封鎖，制造火藥的原材料根本運不進來，熊大縝帶著戰士們用肥田粉作原料加工黑火藥，可是好景不長，日軍又對肥田粉嚴加控制。熊大縝決定用塔式法從觀音土提煉硫磺，他和汪德熙試驗了一次又一次，結果都無功而返。

熊大縝不眠不休，不吃不喝，仔細核算所有的數據，結果還是一籌莫展，他心急如焚。熊大縝只好給老師葉企孫寫信求助，可最后還是一把火燒掉了，擔心這封信給葉企孫帶來殺身之禍，熊大縝決定親自回天津拿資料，戰士們不放心，都要求替他去天津，熊大縝婉言謝絕。

熊大縝再次回到天津，一出站就被特務盯上，多虧組織上的人把特務引開，熊大縝才得以順利回到辦事處見葉企孫，葉企孫把制造火藥的書籍全部裝上，還安排幾個化學系的同學和熊大縝一起去根據地。臨行前，熊大縝來看宜茗，才知道她跟著家人搬走了。

熊大縝帶著遺憾回到根據地，經過他和同學們多次試驗，終于制造出了烈性炸藥，汪德熙勸熊大縝去找找宜茗，熊大縝想等戰爭勝利了再說，他馬上投入定時起爆器和雷管的研制中。熊大縝和清華大學的同窗一起研制烈性炸藥和雷管，沉重打擊了侵華日軍，被人稱為“地雷戰之父”。