越南抗美战争升级时刻，越南社会主义共和国主席胡志明来到中国，希望中国帮助解决疟疾的防治问题，毛主席对胡志明主席说，解决你们的问题也是解决我们的问题。随后，中国人民解放军总后勤部商请国家科委、卫生部、化工部等近百个科研单位参与代号为523的疟疾防治军工项目。其中的科研人员就有屠呦呦，她的名字特别，来源于《诗经》。她是新中国培养的第一批大学生，到中药所十几年了业务水平很不错，就是人各色点。
革委会主任带军事医学科学院的张主任进入办公室，迎面就撞见了屠呦呦。她不愿意理人，要是哪天和你打招呼，才要把人吓一跳呢。主任通知她来一趟革委会，屠呦呦差点忘个明白。主任介绍了张主任和屠呦呦认识，屠呦呦在领导面前也不阿谀奉承，个性十足。张主任提到523科研项目，科研人员去各地收集方子但大都不能用，就像最近筛选出来的常山，它的毒副作用也很大。屠呦呦对此也很了解，让张主任有些惊喜。革委会推荐屠呦呦参与这项光荣的研究任务，并担任所里研究组的组长。之所以是她也是矬子里拔将军，所里那些资历深的老人都不方便安排。屠呦呦直截了当提出需要的实验室和模型，张主任愿意配合，总之她的目的只有一个，找到一种新的抗疟药品。
屠呦呦个性直率，不善交际，生活上也是个粗线条的人。她常常捧着一本书回家，因为忘拿钥匙要丈夫开门，丈夫李廷钊和女儿都早已习惯。屠呦呦说了加入523项目的事情，李廷钊感叹她的工作造福人类，很有意义。李廷钊的消息是个坏消息，因为是留苏学生，他被分到五七干校劳动学习，二人一直想把小女儿从宁波接回来，眼下也要缓缓。李廷钊要去的地方是疟疾高发区，屠呦呦摇了摇头，那里太远了。李廷钊望着星星说，没有星星远，那会儿在宁波上高中屠呦呦总是独来独往的，大家都说要和她在一起比摘星星还难呢。
兵团战士梁锡华来报道了，随后还有她在北医的师弟李伟。二人不是一派的，但在屠呦呦这里只有业务派。屈光明为了生儿子拿走了资料室的《黄帝内经》，还跑来实验室看热闹，屠呦呦就在门口贴了张无关人员禁止入内的纸。组里的第一个工作目标就是，攻克常山碱的毒副作用。1969年2月6日，屠呦呦课题组开始工作。课题组收到了邮件，屠呦呦看得认真，屈光明和梁锡华在后面打赌看她会不会踩水泥。攻克常山碱的毒副作用目前并不乐观，屠呦呦认为应该换个思路寻找另外有效的抗疟药物，如果经过反复实验证明常山碱是一把双刃剑就应该淘汰。但军代表老徐和周主任不答应，那么多人的努力，哪里是屠呦呦说淘汰就淘汰的。老徐气得破口大骂，说不放心把这么重要的项目交给屠呦呦，如果不行必须马上纠正。
老徐让梁锡华把接下来的工作写成报告，把梁锡华搞的一头雾水。屠呦呦在整理从全国各地搜集的抗疟方子，课题组一共就三个人，但能试的方法必须都试试。屠呦呦去见了林老师请教，十几年前她上过林老师的课。林老师是中医研究院的老专家，可惜因为身份问题被发配到锅炉房了。梁锡华对此不屑一顾，认为这种人身上的污点一辈子都洗不掉，李伟却不这么想。李伟发现梁锡华拿着本子，一有空就记下来，梁锡华还不愿意送资料，不然就成了课题组换思路的铁证。屠呦呦不予理会，直接送了过去。老徐很生气，张主任反而更愿意放开思路。小敏被送到幼儿园全托了，李廷钊即将要离开，他把家里需要注意的事情一一记下来交给屠呦呦，从结婚起就是他在管家，现在这个家要交给屠呦呦了。李廷钊还配了把钥匙放在刘奶奶那里，以防屠呦呦忘带钥匙。
周主任认为可以让屠呦呦试试，老徐却不这么想，还叫来梁锡华汇报课题组的事情。梁锡华记得都是吃饭上厕所这些无关痛痒的事情，老徐也懒得看，叫他下次不用再汇报了。既然大家都想让屠呦呦试试，那就试试呗。离开后，梁锡华把记录小本撕碎扔进了垃圾桶中。
1969年5月初，中药所523课题组开始从《疟疾单秘验方》中进行筛选。屠呦呦忙于工作，去吃饭时已经九点了，师傅说没饭了，老徐就叫师傅拿了两个馒头来，嘱咐屠呦呦做实验也要按点吃饭。523课题组过一阵儿要去海南组做实验，屠呦呦带队，也能把实验结果去检验一下，他属实没想到屠呦呦瞎猫碰死耗子还真能弄出名堂。李伟已经接到了去海南的通知，屠呦呦也叫梁锡华一起去。
海南岛。这里是疟疾高发地区，有个小女孩已经很多天没吃东西了，在病床上奄奄一息，屠呦呦找了点吃的，还摘下一朵花放在小女孩手里。这里的条件太差了，没有专业的统计数据，只能认真记录。有几个服药的病人再次高烧起来，屠呦呦赶去时就听到了小女孩妈妈的哭声，那个小女孩不行了。原来被抑制的疟原虫又活跃起来，数量甚至在增多。梁锡华和李伟都很失落，二人坐在海边，亲眼看到这么多人因为疟疾死去，他们的心情都很复杂。想起屠呦呦说523课题组只有业务派一派，二人也不那么针锋相对了。
转眼来海南已经一百多天了，屠呦呦给李廷钊写信，马上要回北京了，一切都要从头开始，她不怕难，最困扰的是不知道该往哪里走。屠呦呦望着星星，想要找到接下来的方向。回到北京后，小敏说屠呦呦走了整整一百六十八天，她和小朋友打架的原因是为了维护妈妈，她知道妈妈是好妈妈。屠呦呦展开书，在海南的一幕幕还在她脑海中，那么清晰，她又想起了那个小女孩。屠呦呦认为应该把重点放到抗疟验方中反复被提及的药物，李伟和梁锡华都没有意义。屠呦呦去汇报工作，却被告知接下来的工作会有变动，周主任和老徐让她去搞专案工作。屠呦呦不愿意，这么一来课题组的进度就要停下了。但屠呦呦不得不去清查组报道，不过，她脑海中全部都是课题组的工作。屠呦呦被分配到四川搞外调，青蒿恰好是四川的方子，屠呦呦就答应了。
屠呦呦和小纪去四川外调很顺利，结束后屠呦呦便去寻找民间药方了。屠呦呦找了冯老先生请教，与此同时屠呦呦的父母也来到了北京，可没想到她不在家，还是刘奶奶帮忙开的门。李廷钊姐姐一路陪屠呦呦父母带着小军赶来北京，却没想到他们都不在家。厨房里的东西都发了霉，母亲看了担心不已。父母帮屠呦呦收拾家，屠呦呦则在寻找四川民间药方迟迟不归。屠呦呦父母不想住那么久，已经带着小军回宁波去了。屠呦呦回家时刘奶奶才告诉她父母来过，家里被收拾得干干净净，饭盒里还有特地留下的吃的。屠呦呦这才想起临走前收到的信，是李廷钊姐姐写的说要带父母去住两个礼拜，叫她提前做准备，只是她没有看见。屠呦呦抹着眼泪，继续投入到工作中去。
小杜调走了，筛选工作也停了，革委会宣布梁锡华被借调，李伟也要离开课题组去做新的项目。屠呦呦心里难过，李伟心里同样不好受。李廷钊已经回家了，还把小敏从幼儿园接回来，但小敏和屠呦呦许久不见，有些生分了。523课题下马，屠呦呦心里始终是不甘心的，李廷钊却很乐观，觉得这个项目没那么容易下马。李廷钊想取消小敏的全托，过段时间再去宁波把小军接回来，一家四口就可以团聚了。
抗疟新药做了好几年也没什么成果，不过523课题组已经要重新上马了，屠呦呦依然是课题组组长。屠呦呦妈妈寄了包好的粽子来，现在连屈原都不让提了也过不了什么端午节，今天屠呦呦和李廷钊能吃上粽子还是很不错的。屠呦呦说523课题组又重新开始工作了，李廷钊也真心为她开心。
523课题组新来了两位组员，分别是赵冬梅和李慧珠。523课题组重新开始工作，屠呦呦想用新鲜的青蒿，大家却沉默了，因为在前两年的一个批判会有位老专家想用野地里新鲜的药草做实验就被批判了，因为新鲜的草药不是中药。但屠呦呦认为应该大胆尝试，可是他们都不想和敏感的问题扯上关系，连忙找借口回家了。屠呦呦带着梁锡华和李伟去找屈光明拿青蒿，屠呦呦认为应该关注一下季节性，一下子拿了两麻袋青蒿走。之后，屠呦呦带着四位组员去摘新鲜的青蒿。李廷钊做了醪糟汤圆给屠呦呦，还说起了做酒酿的问题，温度不能太高也不能太低，屠呦呦立刻想到了青蒿的问题，连忙感谢了李廷钊，问题的关键是温度！
温度太高会破坏青蒿的药效，屠呦呦决定用低温的方式提取看看有没有不同。几人正在工作，老徐来转悠。屠呦呦带领523课题组多次提取青蒿，随后的一系列实验证明了她的想法，这是从零到一的巨大突破。屠呦呦拿着醚中干给老徐和周主任讲述自己的成果，这东西虽然看起来不起眼，但抑制率达到百分之百也一直很稳定。不过在小动物身上的实验很成功，但接下来还需要在大动物上尝试。
屠呦呦的成果让老徐喜上眉梢，对她的工作更是无比支持，课题组要搞实验，还要批量生产，人手肯定不够，老徐和周主任要给他们多配备人手，还要给课题组的人发加班费。屠呦呦也笑了，老徐看到这一幕十分惊讶，他一直以为屠呦呦不会笑呢。屈光明对屠呦呦的态度也好了许多，还特意把《黄帝内经》找回来了。
课题组的人在成批量提取乙醚，搞得浑身上下都是冲鼻子的味道，因为没有经费做防护屠呦呦的眼睛都是红的。李廷钊想要争取一下新的项目，屠呦呦明白他底子好，现在成天搞运动的确是可惜了。屈光明和李伟等人因为在实验室提取，浑身上下都痒，屠呦呦也流鼻血了。屋里乙醚含量太高了，屠呦呦等人连忙开窗透风。屠呦呦在家里找风扇，说实验室要借用一下，她把家里好多东西都拿到了实验室，李廷钊却也并不生气。
猴疟模型的实验报告出来了，老徐和周主任让屠呦呦作为代表去523报告会上做报告。屈光明棉袄上沾到的提取物怎么刷都刷不掉，所以他偷偷跑回实验室拿了好多有机溶液，没想到真的一刷就掉。正在南京开会的屠呦呦接到了老徐的电话，说章主任已经安排各部门来所里取经，一个劲儿夸屠呦呦干得不错。屈光明在实验室里用吹风机点燃了乙醚，实验室爆炸着火了，屈光明吓的够呛。屠呦呦回到北京后实验室已经是一片狼藉，实验记录倒是抢出来了，也没有人员伤亡，可是几乎所有东西都烧光了，这么长时间大家的心血也白费了，大家都很难过。屠呦呦第一时间鼓舞士气，实验室的安全有漏洞，比起以前花的时间，两个星期根本不算什么，我们也不会被眼前这点困难打倒。