1938年，这时候孙家栋还只是个孩提，却已经有了远大的梦想。那年冬天雪下得很大，一辆国际列车穿越中苏边境驶入满洲里火车站，只有少数人知道这间列车里载着一件不一样的礼物。1958年，孙家栋从梦中醒来。他时常梦见去满洲里接导弹的场景，这次还真的看见了，就跟看到初恋的感觉一样。陈主任交给了孙家栋一件任务，他去苏联留过学，苏联专家缺一个过硬的翻译，所以陈主任推荐了孙家栋。孙家栋要给苏联导弹专家盖杜柯夫做翻译，听到这个名字他已经跃跃欲试。
孙家栋去给盖杜柯夫做翻译，他为人挑剔已经换了好几个翻译，大家都很担心孙家栋行不行。孙家栋的表现很出色，他专业知识过硬，还指出了盖杜柯夫的错误，盖杜柯夫非但没有生气，还认可了孙家栋，原来这是他的考验，孙家栋被留了下来做盖杜柯夫的专职翻译。一日，战士们突然集合，孙家栋也在其中。他第一次见到了真正的导弹，情绪十分激动。盖杜柯夫来这里给大家上课讲解这颗导弹，听到可以打击一万公里以外的目标，大家十分不敢相信。孙家栋偶然见到老相识安德烈热情打招呼，安德烈却完全不理会。
1960年。今天的课突然取消了，后边的课也全部取消了，孙家栋一脸纳闷，不明白究竟是为什么。孙家栋去见了盖杜柯夫，安德烈拒绝道他身体不舒服，并将他拒之门外。孙家栋很是不能理解为什么这么做，所以兜了一大圈子去见了盖杜柯夫。盖杜柯夫坦白两国出现了一些问题，苏联专家会全部撤走，他很欣赏孙家栋，还想带他去苏联继续导弹任务，但孙家栋却拒绝了，他在苏联留学是因为要学习知识报效祖国，他没有理由离开这片土地。盖杜柯夫被打动，让孙家栋带着同事来，他会在离开前把所有的知识都教给他们。
苏联专家离开这一天为他们举办了回国仪式，盖杜柯夫留了一份礼物给孙家栋，他走后就有人交给孙家栋。安德烈却挑衅孙家栋，他们不可能造出真正的导弹。孙家栋想到了1956年，苏联母校为他授予大林奖章的那个时刻，如今看着这枚奖章，孙家栋内心十分复杂。安德烈没争到这块奖章，所以才一直记恨孙家栋，孙家栋也不骄傲，什么时候拿了自己国家的勋章才是真本事。盖杜柯夫留下了一张图纸，不过缺少了最关键的一部分，但陈主任不想半途而废，再难也要继续做下去。
孙家栋常常在图书馆学习到深夜，一天晚上被钱学森钱院长发现了。二人都被锁在了图书馆里，钱学森阻止了孙家栋跳下去，还记得他的名字，让他所说最近工作的困难。孙家栋坦白苏联专家走后留下了很多难题，钱学森给了他一个解决办法，用反设计，也许就能造自己的导弹了。钱学森坚信，未来世界甚至是在太空的。
孙家栋连忙找来同事们连夜计算，终于找到了解决问题的办法，补上了两页图纸，陈主任十分欣慰，并且宣布国产燃料已经合格，现在万事俱备只欠东风。在孙家栋等人的共同努力下，导弹研发成功并成功发射。同事给了孙家栋一张照片让他去相亲，孙家栋一开始拒绝说没有时间，可看到照片那一刻却愣住了。孙家栋和魏素萍的相遇，是二人各自拿着一份报纸，却张望着手中照片上的相亲对象。魏素萍率先找到了孙家栋，落落大方地和他一起逛街。这段时间孙家栋和魏素萍通了几十封信，魏素萍追着孙家栋问他们的事情看法，孙家栋自然十分满意，魏素萍也是。于是，二人结婚了，在同事朋友的见证下办了一个简单却隆重的婚礼。
结婚后，孙家栋送了魏素萍一份结婚礼物，是他的奖章，还有他的全部家当，这些就是他的全部，魏素萍笑着收下，掌握了家里的财政大权 。1962年，东风二号完成了出厂验收，陈主任安排包括孙家栋在内的人去配合发射工作，东风二号连螺丝都是自己生产的，大家扬眉吐气了一番。酒泉卫星发射场，发射场工程队的队长李东海骑马来接他们，他是从朝鲜战场上下来的，一条胳膊留在了长津湖，干起活儿来不要命，脾气大嗓门大，是因为耳朵在战场上震坏了。
孙家栋开始了对东风二号的检查工作，还没开始他就发现了保险丝头的异样，并且排查了所有的安全隐患，要求把老鼠洞都堵上。李东海不愿意，发射日期是有要求的，何况在戈壁滩上哪里来的老鼠，要和基地领导汇报，还把他们赶了出去。同事觉得李东海是军阀作为，认为应该和上级反映这个问题，可孙家栋一脸淡定地去找了李东海。他抓到了一只老鼠，苏联就发生过这样的事情，李东海见状突然抛出去呕吐，孙家栋以为他怕了，却不想是因为长津湖战役打到最后一战，因为没有口粮，上上下下全靠挖地耗子吃，连续吃了一周。孙家栋肃然起敬，他们都是值得敬佩的英雄。李东海返工了，不仅如此还帮孙家栋抬水，孙家栋明白，他不是一个小肚鸡肠的人。
在孙家栋和李东海等人见证下，东风二号顺利点火发射冲向太空，可令人意外的是，转眼导弹便坠落在地，掀起一片灰尘。孙家栋拖着身体上前，不顾危险要去查看问题，李东海等人追着他阻拦。导弹坠落带来了一个巨坑，孙家栋跑到那个坑跟前，看着烧为灰烬的导弹碎片，竟不知该作何反应。孙家栋他们一一捡着剩下的细小零件收起来，这次失败的打击，远远地大许多。孙家栋他们一直在那里挖东西不肯回来吃饭，李东海没办法就带人给他们送饭过去，他当初也是带兵打仗的人，可现在饭送到嘴边都指挥不动这些人。孙家栋他们怕晚上风沙大把零件吹跑了，没时间更没心情吃，李东海也实在没办法只能配合他们把东西拉回去，晚上更是直接带人去帮他们挖零件了，孙家栋带人十分感动。
导弹发射失败，蒋介石的侦察机来拍照片，落后就要挨打，孙家栋心里很难不着急。钱学森不远千里赶了过来，导弹发射失败他比谁都着急，大家都以为钱学森是来兴师问罪的，孙家栋主动承担责任，但钱学森并不是来追究责任的，甚至。要说责任，首先是他的。失败很痛苦，但也很正常，如果一失败就闹情绪就没有以后的。钱学森鼓励大家不要害怕失败，经过失败才会变得更聪明，更强大。
钱学森想听听孙家栋的意见，孙家栋认为没有重视系统协调，建议从总体方案入手。其次孙家栋认为这次失败也和东方一号发射太顺利有关，大家被胜利冲昏了头脑过于乐观了。未来的路还有很长，我们必须脚踏实地地走好每一步。李东海经常带着战士们出去打猎，小孟在其中一次受伤了了。有个战士偷拿了两个羊肉包子，炊事班让李东海评评理，李东海很生气地要管他禁闭，战士很难过地道出原委，小孟快不行了，他就是想让他临走前吃口荤的。工程队的饭没有一点油水，小孟的病号饭也是，他们打猎带回来的猎物都要先保证技术人员，如果不是因为打猎，小孟又怎么会摔得那么惨。孙家栋连忙拿了几个包子给这名战士，可他们赶到医院时，小孟已经去世了。
李东海在小孟墓前吹起了口风琴，想起那年冬天和小孟一起打仗，后来又一起来了大西北，小孟要和他学口琴，说回家就能给姐姐听了。李东海答应小孟等导弹发射成功就把口琴送给他，可是他们都没有等到。他们的牺牲是心甘情愿，李东海明白，活着的人要为死去的人争气，不能让他们白死。孙家栋心情复杂，表示他们一定会带着新的导弹回来的！离开时，李东海又骑着马送他们，双方严肃庄重地以军礼送行，背后包含了许多无法言喻的信仰。
孙家栋归来时，和魏素萍的儿子已经出生一段时间了，这段时间孙家栋全然无踪，连儿子出生都不在，魏素萍很难不埋怨，但是孙家栋的工作是保密的，魏素萍也可以理解。儿子亮亮传来了哭闹声，孙家栋连忙进去看儿子，魏素萍把亮亮抱给他，她已经三个多月没出过门了，现在孩子交给了孙家栋，她要出门逛街去了。实际上，魏素萍是去买菜给孙家栋做菜了。
第三十七次小组故障分析会。孙家栋总结了故障原因，这是一次最惨痛也是最宝贵的教训，钱学森说我们一定要把故障清零，把它彻底消失在地面上。1964年。孙家栋他们总结教训后重新回来了，李东海再一次为他们带路。这段时间，李东海不断告诉自己永远不能马虎，这次是随便检查！导弹即将发射，李东海和孙家栋激动不已，同时也惴惴不安。导弹点火发射成功，孙家栋喃喃道，这次我终于能吃上那包糖了。导弹准确击中目标，我们成功了！
聂帅打报告组建了空间技术研究院，让钱学森做院长，大家穿上军装起码多一个保护，聂帅还希望如果自己不在这个岗位上了，钱学森要负起东方红一号的责任。他们需要一个新的总体设计负责人，钱学森推荐了孙家栋。国防科委参谋胡启正来给孙家栋送中央科技研究员调令，主要任务是研制国家第一颗人造卫星，两天后报道。孙家栋十分激动，好友也激动不已，二人一同拿出了一张报纸，是当初苏联人造卫星登上太空的新闻，那时候他们就想，什么时候我们国家也能有自己的卫星啊。飞向太空是人类几千年来的梦想，苏联和美国能做到的，我们也一定能做到！
孙家栋来到研究院报道，钱学森准备了很多资料，孙家栋早已看得入迷。钱学森让孙家栋说说工作的困难，孙家栋说最重要的是时间，但1970年发射卫星，这个时间不能变。孙家栋认为三年时间远远不够，钱学森让他去找帮手，只要是卫星发射方面的人才都可以大胆的去找，并表示有什么困难他都可以帮忙。孙家栋找来了好友，还有许多卫星制造方面的专家，复合材料的专家陈希远却迟迟未到，他脾气诡异，但孙家栋认为他是个有能力的人，于是找到了他的地址。
孙家栋希望陈希远去工作，陈希远认为把卫星送上天太难了，他们远远不能够做到，但孙家栋说靠的是智慧和勇气。陈希远让孙家栋陪自己再打一次乒乓球，赢了就答应他。于是，陈希远正式加入了研究院，与其他十七名专家并称十八勇士。大家一起讨论问题，常常会有意见不统一的时候，这个时候一场球赛成了胜负的关键。十八人组成的科研团队忙碌的工作着。大家每次开会都会吵架，但是越吵反而问题越少。不过吵架不能解决全部的问题，我们不是对手，是队友，在孙家栋的凝聚力下，十八人早已成为了一家人。
卫星需要的零件很难生产，系统也很难，三年的研制期限实在太短了，孙家栋却告诉大家自己小时候很喜欢吃糖，家里房梁上总放着一包糖，他怎么够都够不到，后来把棉衣脱了轻装上阵如愿以偿地吃到了糖。所以，孙家栋提出主攻卫星的本质任务加快研发速度，三年是有可能的。这个想法得到了许多人的认可，孙家栋也早就报上去了。果不其然，这个方案把科学院的人气个半死，孙家栋结结实实捅了个马蜂窝，但钱学森很是淡定，孙家栋是踏实的人，他不是冲动，他也想看看孙家栋会如何处理这件事情。
孙家栋为方案四处奔波找洪主任，无意中得知他们几个人在一起研究孙家栋的方案。孙家栋进入会议室，想把这件事情和大家说明白。