小马外出执行任务，建国趁小马不注意偷溜进了小马的车里，半路被颠簸得晕了车。这时小马才发现建国在自己的车上，只好带着他去执行任务。回来路上，车路过找到建军鞋子的那片胡杨林，建国坚持下车去胡杨林找弟弟，小马不得不陪着他，但走到半路建国陷进了流沙中，小马手疾眼快把建国救了出来，但自己却被流沙吞噬了。基地为小马举行了告别仪式，曾倩倩来到小马目前，说出了自己喜欢他的心意。
李一婵分娩入院，大家都聚在一起等孩子出生，但预产期还没到，李一婵又长期带病工作，这不得不让等在外面的项怀瑾忧心如焚。没多久，孩子出生了，母子平安，张司令亲手抱起了孩子，这也是在马兰出生的第二个孩子。
孩子们放假百无聊赖，但听说医院建了个仓库，里面没准有好东西。几个孩子撬了仓库门锁走进仓库，偷拿了许多化学药品，在戈壁滩上做实验，但这些药品接触空气却剧烈地燃烧起来，险些引发爆炸，何玉山因此将建国拎回家里狠揍了一顿。
丽萨好几天没来上课，让建国牵肠挂肚，没多久丽萨跑来告诉建国和小伙伴，她和母亲要回北京了。丽萨走后，建国像丢了魂似的，上课什么都听下去。科研所的科研人员陆陆续续地都走了，基地内部盛传上级要裁撤基地的消息，但谁也不知道这是为什么。几个孩子还以为是上次他们偷拿仓库药品的事连累这些叔叔阿姨，一个个找到林儒丫承认错误，但林儒丫告诉他们，叔叔阿姨的离开和他们没有关系。
张副司令找到何玉山和徐远征，告诉他们三年困难时期已经过去，现在的主要精力是恢复国民经济。所以上级决定基地建设要暂停，人员也都要先内地，让何玉山和徐远征做下面的工作，但二人自己都想不通，怎么做下面的工作呢？总部首长和军委领导来马兰听取基地建设的意见，何玉山站起来发言，他沉痛地说道国家的历史和自己亲身的经历，从前被动挨打，参加革命后因为武器落后看着战士们牺牲，所以一定要造出自己的原子弹，才能扭转这个局面。他的讲话感动了在场的所有人。
不久，台海局势风云突变，美国咄咄逼人，蒋介石集团扬言反攻大陆，局势的严峻上党中央下决心一定要搞出自己的原子弹来，因此决定让周总理挂帅成立专门委员会，基地的建设绝不能停，而且还要提前。这让忐忑多日的何玉山和徐远征都非常高兴。
中央高度重视，基地各项建设都在加快进度，只有何玉山明白，等待他的困难会比以前更多，但徐远征却说没什么能难住何老抠。何玉山对他说只要他少跟他顶着干，捎给他找麻烦就行了。
科研人员陆陆续续返回马兰，建国和孩子们又见到了多日不见的丽萨。而此次来到的不仅是原来基地科研所的科研人员，还有来自全国高等大学的高材生，科研所的力量更加强大了。
为了能够让在工地拼命干活的战士们在休息期间更好的放松，林儒丫和曾倩倩带着孩子们到工兵团给战士们演节目。节目结束后孩子们在工地上活动，柱子不小心碰倒了一根电线杆，幸好柱子被执勤的战士拉到了一边，才没被电线杆砸中。战士们告诉他们，这些电线杆是直通北京的。
经过一年的火热建设，基地的条件渐渐好了起来。战士们都搬进了新建的军营，一座座楼房拔地而起，学校也建设起了明亮整洁的新校舍。但摊子铺大了，自然就会引人注意。美国U2侦察机频繁在马兰上空盘旋，试图搜集我核试验基地情报，被我军击落。这让司令员赶到，工程必须加速。他找到何玉山，徐远征，告诉他们工程必须提前完工，各部门都要快马加鞭。
何玉山更加忙碌了。一会儿是精密设备，一会儿又是摄像镜头，这些都和未来的核试验有紧密的关联。科研所需要十六口大锅充当设备防护罩，何玉山转遍了整个基地，只找到十五口大锅，最后不得已征用了副食队的大锅。何玉山东奔西走，在办公室黑板上写着“找，一定要找到，必须要找到！”这样的标语时刻提醒自己。
学校要成立鼓乐队。而建国、援朝几人早就看着学校那些新鲜的乐器眼馋了，可鼓乐队名额有限，几个孩子并没有被选入鼓乐队。于是几个人找曾老师求情想办法。曾倩倩只跟孩子们说心中有数，并没有明确答复他们。小欢和援朝半夜偷偷溜进乐器室，将乐器带了出来。
偷拿乐器的援朝和小欢叫醒了建国，三个人就深更半夜练起鼓来。到了第二天上课，三个人因为睡的很晚，都打起瞌睡来。下课后，曾倩倩说乐器室少了一个鼓，问是不是他们拿的，但建国几个人却不承认，都借口上厕所跑出了出去。深夜，几个人正在练鼓，这回被曾倩倩抓了个正着。曾倩倩告诉他们，学校鼓乐队要扩大，学校已经同意他们加入了。几个人都很高兴，这才安心地去睡觉。学校落成仪式当天，建国和几个小伙伴果真成了鼓乐队的成员。
张司令找何玉山谈话，他为何玉山建军会是一个什么情况。何玉山心里也清楚，一望无际的大戈壁，建军几乎不可能独自活下来，但是，他失去了不仅是建军，还有像王大头、小马这样的好战友，只要原子弹试验成功了，他们的牺牲才才有价值。张司令员告诉何玉山，基地要成立一支七人组成的“打猎队”去执行一项艰苦而又重大的任务，让杨振禄担任队长。打猎队成立后，杨振禄和队员们一支坚持体能训练和徒步行军。张司令员找到何玉山，让打猎队队员们每个人写一份遗嘱。何玉山将司令的命令传达给杨振禄，还叮嘱他，作为队长，一定要把事情想周全，尽量避免战士们的伤亡。
何玉山一直不知道打猎队要执行什么任务，还需要写遗嘱。张司令在打猎队出发的前两天将任务告诉了他，这次打猎队要执行的是巡逻试验场区的艰巨任务，任务时间半年，徒步八千里，主要任务是防止敌特破坏，还有要找到周边的牧民，一面伤及群众。何玉山这才明白，这项任务九死一生，他找到妻子，询问他有没有能在关键时刻保命的药物，让战士们带上，林玉洁想到了让战士们带上葡萄糖。
巡逻分队出发执行任务，临走时何玉山交待让他们一定要记住补给点的位置和距离。巡逻队徒步穿越茫茫戈壁，首要的是找到水源。他们在一处小水塘边宿营，却发现周边一直有野狼出没。
何玉沙来找曾倩倩，告诉她杨振禄这次执行任务非常艰巨，如果他能活着回来，曾倩倩是否能答应和他谈恋爱，但曾倩倩却无法回答何玉山。何玉山希望，曾倩倩能时刻想着杨振禄，这样即使在千里之外，杨振禄也会感应到，他相信爱情的力量可以创造奇迹。
建国向同学们讲，爸爸何玉山每天都通过无线电收到巡逻分队的汇报，他们在戈壁滩上发现了绿洲，每天与狼共舞，充满了传奇。而这些都被曾倩倩听到了。杨振禄和队员们在巡逻过程中发现了骆驼的脚印，大概有五六头之多，很可能是人为留下的，只是他们不知道，这些人到底是放牧的牧民，还是敌特分子。