孙家栋进入会议室表明身份，洪主任等人让他坐下，把这件事情说明白。拿掉这么多的发射项目，大家都不明白孙家栋这么做的意义，认为这个简化方案是不妥当的，孙家栋说自己学的和卫星边都挨不上，他也不明白钱学森推荐自己是为什么，后来他明白了，因为他是个新人没有包袱，他只关心他们的最终目的。饭要一口一口吃，路要一步一步走，简化方案只是在规定时间内完成能完成的，大家的工作成果也不会浪费，反而会有更充裕的时间完成。大家有些被被说服了，钱学森这时出现，认可了钱学森的报告，不过还有些不够完善，所以希望大家帮孙家栋梳理思路。大家是同一条船上的队友不是对手，时间方面不能变。众人纷纷表态会全力配合，简化方案得到了认同。
插头做的不符合要求，这些零件虽小却很重要，各个厂子都做不出来，孙家栋特地去了上海，找一个叫刘全有的师傅。刘全有生病了，他的徒弟李康倒是在，李康有些好奇的问他们做的是什么，看看他能不能帮上忙。不久后孙家栋收到了李康做出来的零件，但工艺水平依旧达不到。孙家栋琢磨了一下，让李康和田师傅取长补短，但陈希远认为不是插头的问题，是人的问题。插头草图是刘全有画的，孙家栋给田师傅看了师弟田师傅发来的电报，说如果李康能在他的指导下做出来愿意认输，田师傅这才愿意去上海。
田师傅和刘全有是比了一辈子的的师兄弟，但刘全有现在病重，他想着如果最后能再比一下也就没有遗憾了。在二人的合作下，成功做出了合格的插头。孙家栋为大家介绍听得到，卫星进入太空它会为全世界听到东方红乐曲，可是没想到它在播放途中走音变调，孙家栋连忙去找人解决问题。师傅难坏了，孙家栋就出了个笨办法，抓紧时间找出问题所在。
首长来视察这天，孙家栋还在忙着排查问题没有回来，陈希远等人十分焦急。首长要听东方红乐曲，陈希远拖延时间无可奈何，只能硬着头皮播放了起来。听到走音变调，首长们十分惊讶。与此同时，孙家栋也找到了问题，把新的机器带了回来，在首长离开之前赶到解释了问题，并成功播放了东方红乐曲。孙家栋成功解决了问题，也得到了陈希远的认可，还按照赌约把乒乓球拍给了孙家栋。
五院要改建了，孙家栋等人离开了这里有些依依不舍，这里见证了他们最艰难的一段时间。1968年，中国科学技术研究院。搬完家后，众人盘算着放假要做什么，孙家栋答应了魏素萍明天要陪着孩子去爬山，还特地去给魏素萍买了一双鞋子。去登山前一晚，魏素萍四处找相机打算明天多拍一点照片给父母寄过去，没想到这个时候出事了，样星超重了。孙家栋只能决定放弃爬山，明天去厂里看看。魏素萍得知后难免有些失望生气，亮亮期待已久的爬山也只剩下了妈妈。
样星超重问题，孙家栋找出了问题原因，是因为仪器上的领袖像章，其实大家心里都知道这个问题，但是如果要拆掉，孙家栋就是引火上身给自己找麻烦。孙家栋回想起当初主席的讲话，又看着眼前的领袖像章犹豫。
孙家栋决定拆除部件上的领袖徽章，全部都拆掉，师傅有些为难，有一位刚做父亲的师傅直接就跑了。徽章全部都拆除了，孙家栋这一行为被批判，钱学森去开会前让人转达他的话，卫星超重是科学问题不是政治问题，要用科学的方式去解决，孙家栋作为总体设计负责人有责任也有权利解决困难，不要随随便便扣帽子。孙家栋自己扛下了这件事情，总体设计部的兄弟们都很自责。
孙家栋回家后孩子们已经睡下了，魏素萍心里有怨气，也爱搭不理的。像章都被装回去了，贾峥还派人把车间占了，这么一闹后面的实验都没办法解决，孙家栋决定过几天向总理汇报工作时，说一说这件事情。孙家栋去看望了卧病在床的陈主任，陈主任提起以前一起工作的事情，话语中十分怀念。陈主任自知身体已经撑不了多久了，唯一的遗憾就是等不到东方红一号问世，还让孙家栋他们好好努力，真理是藏不住的！孙家栋闻言抽泣，陈主任指了指旁边的抽屉，里面是孙家栋落在办公室里的自行车模型，他说过要骑着自行车上月球。
孙家栋回家晚了没拿钥匙，魏素萍赌气不给他开门，无奈之时，聂帅来了。聂帅刚从钱学森家里出来，这件事情非同小可，关键时刻聂帅会站出来支持。魏素萍出来看到聂帅吓了一跳，激动的连话都说不清了。聂帅说孙家栋正在从事一项重要的有利于人民的工作，这一切离不开魏素萍的支持。魏素萍恍然大悟，聂帅还说以后家里遇到困难可以随时来找他。魏素萍没有让孙家栋再解释，现在什么都没有意义了。孙家栋害怕连累魏素萍和孩子，想让他们回东北老家躲一段时间，可魏素萍的意思却是吃糠咽菜也要一起扛。
钱学森和孙家栋在去向总理汇报工作的路上，二人都很紧张。见到总理后，孙家栋汇报了目前棘手的问题，样星超重三点六五公斤，原因是每个分系统仪器上都安装了毛主席像章。孙家栋说话紧张的有些磕巴，总理表示大家对毛主席的热爱是对的，但需要认真考虑什么地方放什么，做卫星要考虑的是科学问题，总理让他们回去好好和大家讲道理，会讲明白的。这件事情终于解决，贾峥气得都快晕过去了，孙家栋等人则开始加班加点地想把耽误的时间都挣回来。
孙家栋正在车间加班，志朋突然跑来说魏素萍住院了。孙家栋忙跑到医院，但因为探视时间被拦在了外面，孙家栋一着急晕倒了。病房内，魏素萍拉着孙家栋的手，孙家栋醒来连忙向魏素萍道歉，她住院这么多天了孙家栋却才知道。孙家栋疲劳过度，这下子不想陪着魏素萍都不行。二人一起生了病才有机会朝夕相处，孙家栋让魏素萍换了衣服，偷偷带着她出去吃饭了。刘大夫来查房，只看到了他们留下来的假条。魏素萍坐在孙家栋的自行车后座，有些难得的甜蜜。
日本正在想方设法打听东方红一号的进展，要抢在我们前头，但亚洲第一颗卫星的荣誉，说什么也不能让日本人抢走！钱学森告诉孙家栋昨天的发射失败了，美国向日本提供了发射卫星的陀螺仪，钱学森马上要去酒泉，东方红一号出厂前的测试工作，钱学森就交给了孙家栋，这是新中国的第一颗卫星，绝不能有半点差池。卫星组装完毕，贾峥建议提前出厂抢在日本前发射，孙家栋提出了反对，所有的测试都合格才能进入到发射程序。日本卫星发射了，亚洲第一的荣誉被夺走，贾峥揪住孙家栋的出身咬定他是白专典型，暂停了他的职务，不让他参加一切工作。钱学森在外地出差，也没有新的任命，陈希远成为了暂时负责人，但他们在心里都认定，只要孙家栋一回来，还是会由他来主持大局。
孙家栋被暂停工作后依然关心卫星进展，今天总装完成，孙家栋不放心特地跑来看一看。陈希远发现后连忙叫住了孙家栋，贾峥不让他进车间，陈希远就悄悄带着他进去看了一眼。看到卫星的真正模样，孙家栋有种十月怀胎终于落地的感觉。
看到卫星的那一刻，孙家栋颇为感动，从草图上的形状走到实体，只有他们这些参与其中的人才知道有多么不容易。孙家栋悄悄把卫星的样子画了下来，偷偷收藏了起来。卫星天线展开实验，天线展开了，其中一根天线却甩出来伤到了一个人。大家只好在防护状态不断测试卫星天线，轻了甩不出来，重了直接断了甩出去了。志朋和陈希远为此去见了钱学森，钱学森说要请孙家栋来帮忙，并且注意保密。
贾峥称收到举报来孙家栋家里搜查，口口声声说家里有反革命材料，魏素萍淡定地切着菜，却在贾峥要没收徽章的时候怒让他放下，孙家栋是公派去苏联的留学生，领袖访苏时更是见了留苏学生，他们拿这些就是在抢劫！孙家栋这些年一心扑在工作上，魏素萍指责他们才是破坏革命的坏分子，非要让他们搜，要是搜不出来必须赔礼道歉！魏素萍拿着菜刀气势逼人，贾峥吓得结巴连忙跑了，连孙家栋都看愣了。魏素萍这才悄悄拿出藏起来的卫星图纸交给孙家栋，嘱咐他要收好。
孙家栋冒着大雪去帮陈希远他们解决问题，回家时冷得打喷嚏，魏素萍连忙煮了姜汤。虽然冷，但孙家栋打心底里高兴。贾峥听说孙家栋一整天站在车间外面，可是一想到魏素萍说的那些话就也不敢管了，他可是毛主席亲自接见过的人。卫星天线终于测试成功了，陈希远迫不及待跑出来向孙家栋报喜，孙家栋让他找个作废的天线留作纪念。陈希远忙跑回去拿，孙家栋却晕倒在了雪地中，贾峥发现后把他送到了医院。
卫星汇报时志朋和陈希远说有一位不求名利的同志参与了卫星新天线的研制工作，贾峥立刻站起来说不奖励这样的好同志说不过去。陈希远回答，这位同志就是孙家栋。孙家栋热爱航天，豁出命去工作完全不计较得失，这是对党、对国家、对人民最大的忠诚！借此，孙家栋才重新回到了工作岗位上。钱学森在东方红一号鉴定文件上签字后，一同去酒泉发射卫星的名单也下来了，孙家栋连忙念了名单让他们收拾东西明天一同出发，但是唯独没有孙家栋的名字。大家想去找钱学森，但孙家栋认为卫星比他的事情重要太多了，钱学森的担子太重了，他不应该再添麻烦。志明和陈希远等人出发了，孙家栋送他们离开时十分不舍，志明深深地替他鸣不平，却又无能为力。
卫星发射这一天，孙家栋饭也吃不下去，一个人到大街上溜达。电线杆下都站了两个人，他们说要保持通讯畅通，领导下了死命令要站到天亮。酒泉卫星发射中心。卫星发射时间越来越近，孙家栋身在北京，却仍然肃然起敬，整理衣服后看向了天空。倒数过后，“东方红一号”点火入轨成功发射，这一刻，所有人都热血沸腾，酒泉卫星发射中心挥舞着五星红旗，这是属于我们的中国红。
孙家栋在街头守到了天亮，终于等到了今天的报纸。1970年4月24日，“东方红一号”成功发射，孙家栋热泪盈眶，我们终于骑着自行车，上月球了！