上世纪50年代，美苏两国进行核军备竞赛，整个世界都笼罩在核战争的阴云中。美国不断对我国进行核威胁和核讹诈，这让中央下定决定研究我们自己的原子弹。于是，寻找合适的核试验场这个任务，叫到了张司令员手中。但他提出要找回自己两个老部下，何玉山，徐远征来完成光荣的任务。
此时，刚从朝鲜战场上回国的何玉山正在和自己的家人团聚，而徐远征更是在部队里正举办着自己的婚礼。然而大喜之日，两人都接到了秘密任务，让两个人到指定地点待命。无奈之下，徐远征只得告别了自己的妻子林玉洁和孩子赶往总部。而在新婚之夜，何玉山为了不暴露自己执行任务的行动，只得与自己的新婚妻子林儒丫不告而别。
何玉山在华北某地赶上了最后一批回国的志愿军战士的列车，短暂交接后，何玉山和这批战士乘着列车继续行进，并在北京某车站停靠，大喜的日子被命令执行任务，心里本来就不痛快的徐远征没想到在这里看到了老冤家何玉山，两人只是互相敬了个礼，就分别上了车厢。
列车一路向西，来到了甘肃，张司令早就在这里等着何玉山的到来。何玉山将部队交给徐远征原地待命，自己来见张司令，张司令告诉他，国家决定要搞自己的原子弹，而他们的使命就是找到一块合适的原子弹试验靶场。而这里离附近居民和莫高窟遗址太近，他们现在最迫切的任务就是向罗布泊方向寻找另一块合适的靶场。
何玉山和张司令来到原地待命的部队当中，给二人布置了任务，他们首先要在罗布泊附近找到水源，这样才能驻扎下去。徐远征好奇这任务到底是什么，但张司令员却没有告诉他实情，只是让他不折不扣的执行命令。就在两人来到进入戈壁的同事，两个人的家里却各有苦辣酸甜。林玉洁有孕在身，还要照顾两个儿子，分外辛苦。而徐远征的不告而别，让新婚妻子林儒丫每日以泪洗面。
何玉山和徐远征带着部队徒步几昼夜，却连水源的影子也没见到。部队出发前所带的饮用水早就何况，有的战士在行进途中牺牲了，部队陷入了巨大的困境。幸好，张司令员带着大部队及时赶到，让部队摆脱了危机。在张司令员的带领下，部队终于找到了优良的试验靶场，何玉山和徐远征亲自打下了地标。部队又迅速开拔在附近寻找生活区。
部队又行军了几百里，前方终于出现了一片绿色，而一名眼尖的战士发现，此处不但有树木，还有盛开着的马兰花。张司令对部队的战士们说，马兰花生命力极为顽强，有一点水就能够存活，他当即决定将这个地方命名为马兰村，并命令部队在这里安营驻扎。
部队安顿下后，徐远征的警卫员发现，何玉山和徐远征从不主动说话，便找到何玉山的警卫员打探究竟。何玉山的警卫员告诉他，两个人曾经为了抗美援朝中的一场战斗产生了芥蒂，当时何玉山负责后勤弹药补给，在一场战斗中，徐远征判断他的团是敌人主攻方向，要求何玉山将弹药都给他们那个团，但实际上敌人只是佯攻，真正的主攻方向是何玉山同乡郭玉柱那个团，最终，郭玉柱团长因为缺乏弹药而牺牲，也因此两个人结下了梁子。
在这样艰苦的条件下，部队的战士们都想知道他们执行的是什么任务，徐远征也一样。张司令召集部队中层干部开会，告诉大家国家要研制原子弹的消息后，徐远征非常高兴，第一时间回到部队告诉了战士们这一神圣使命。
部队大院内，何玉山的邻居项怀瑾和李一婵是国外留学回来的科研人员，他们也分别接到了秘密使命，李一婵已经怀孕，但为国献身的使命感让她接受了这项任务。上级要求他们任务情况要对对方保密。两个人只得互相找了个借口，把唯一的女儿丽萨托付给林洁玉。不久之后，林玉洁也生下了一个女儿，自己即将面对的是独自抚养家里这四个孩子。
何玉山被任命为实验基地保障部部长，徐远征被任命为工兵团团长。实验基地随即动工。在一次打靶试验中，炮弹没有响，战士刘梦天上前查看，不小心触碰了炮弹引信，刘梦天壮烈牺牲。张司令让何玉山和徐远征反省三天。经过三天的反省，何玉山找到张司令，认为基地保障责任重大，自己实在干不好，想打退堂鼓。张司令却当着他的面将战士们叫到一块，一起许下了驻扎马兰的誓言。
林儒丫来到徐远征原部队打听徐远征下落，但原部队也不知道徐远征去了哪里，情急之下的儒丫晕倒，被战士小曾送到了医院。小曾送醒来的儒丫回家，林母对小曾非常热情，但就是查户口的行为让小曾不自在，坐了一会儿就告辞了。林濡丫知道母亲这样做是让她忘了徐远征，重新找个靠谱的男人。
深夜，徐远征和战士们围坐在一起，和他们讲自己和儒丫相识相爱的过程，年轻的战士们听到后都对他羡慕不已。可是，只有他自己知道，自己的不告而别对妻子多大的亏欠，妻子还会原谅他吗？
丽萨和何玉山的两个儿子建国、建军相处融洽，她还专门让建国、建军品尝父母从国外带回来的咖啡。但是，三个孩子将近一年没有建过自己的亲人，咖啡再好喝，也比不上拥有父母的温暖。弟弟建军看到大院内有人在做爆米花，自己也想吃，身为哥哥的建国下决心要让弟弟吃到爆米花。
张司令告诉何玉山和徐远征，上级同意他们带家属来新疆。两个人自然非常高兴，可一想到自己连个像样的住处都没有，怎么给老婆孩子住呢？当然，这种事，最后还是落在了保障部长何玉山的身上。
一年没有回到家，何玉山一进门，就和两个儿子抱在了一起。而此时他发现，他走时还只有“两个半孩子”，如今却有四个孩子，听到丽萨是项怀瑾和李一婵的孩子，何玉山热情地向丽萨打招呼。但是见到阔别已久的妻子，何玉山却一时说不出话来。
建国在学校用炮仗里的火药制作了引信，把一茶缸棒米花放在汽油桶里，想自己做爆米花给建军吃，只听“砰”的一声，爆米花漫天飞舞，因为动静太大，惊动了校长，校长将何玉山找了来，狠批了一顿。但一出门，何玉山却又抱着两个儿子亲了起来。何玉山太久没见到孩子，他对孩子的爱和思念，远远大于对他们淘气的责备。
深夜，何玉山告诉妻子，首长同意他们全家去新疆，但何洁玉担心孩子们到了新疆会不适应，何玉山告诉妻子，小孩子，必须要吃点苦才能成长。
此时，项怀瑾和李一婵正在北京的两所不同的实验室里忙碌地工作着，两个人近在咫尺，却从没见过，也不知道彼此正呼吸着同一座城市的空气。深夜，被各种公式困扰的项怀瑾回到宿舍，躺在床上，他拿出了临行前和妻子女儿照的全家福，沉重的思念，也只有在寂静的夜晚里才能得到宣泄。
林洁玉再次将丽萨托付给了邻居，这让丽萨觉得自己就像是包裹一样，被人甩来甩去。林洁玉告诉丽萨，也许她的父母很快就能回来，所以她一定要留下来，等着自己的父母能够找到她。何玉山一家到达新疆茫茫荒漠之中，在去往基地的路上，遇到了罕见的大风沙，何玉山不得不下令暂时停止前进，这时建军却在卡车里被风沙卷了出来，建国和林洁玉在风沙中声嘶力竭地呼唤着建军的名字，但最终建军却永远离开了他们，全无踪迹。风沙渐渐停了，张司令员命令何玉山马上返回，军令如山，他只能带着哭泣的建国和妻子返回基地。