2019年秋，长沙。袁隆平的三个孙女来到他的稻田里为他唱歌，庆祝他的九十岁生日。袁隆平研究水稻已经六十年了，饥饿一直是世界问题，这也是他研究水稻的原因。1960年，湖南井冈山，全国农民专家育种大会，袁隆平跟随小组组长王贵一起展示成果。袁隆平培育出了西红柿和红薯，并去拜访了金老师，金老师却认为这是无性杂交的成果无法通过种子遗传。金老师说如果袁隆平愿意搞水稻，他可以分四粒给他，不过袁隆平一直研究的是红薯，也怕浪费了。
1960年深秋，湖南安江农校。王贵想把袁隆平树立成全国农业典范，让他写一份材料。袁隆平忙了一晚上，写的却不是评典型的稿子，而是实验失败的论文。王贵看到这份稿子很生气，他得了那么多奖，现在却宣布这是个失败的实验，这不就是欺骗吗。袁隆平认为嫁接一代没有失败，只是嫁接二代失败了，及时总结经验没有问题。王贵还是不允许判失败，说科学的道路不是一帆风顺，要对国家负责，对人民负责，对未来负责。
袁隆平一个头两个大地走出办公室，突然觉察到什么连忙跑回去，发现论文已经被王贵撕了。袁隆平心里郁闷，拉着胖公说要去干一件诚实的事情，他要阻止王贵，把论文贴到情报墙上去。论文袁隆平有备份，胖公劝他别去当那个冒失鬼，这事儿他是不会陪袁隆平去干的。话虽这么说，胖公还是陪着袁隆平去了，大晚上打着手电帮他贴论文。那天晚上，袁隆平忽然想起了老家，想起了母亲，还有母亲的教导。母亲说天上对应的都是有名望的人，要成为一个有名望的人，首先要成为一个善良、诚实的人。
次日，袁隆平的论文引起了大家的愤怒，王贵说是自己让袁隆平贴的，大义凛然说公开有利于大家互通有无，不能一言堂，胖公听得云里雾里，实在想不明白袁隆平葫芦里卖的什么药。袁隆平给金老师写了封信，但他一直没有回，胖公批评他太冒失了，金老师现在的情况他也不是不清楚。王贵让人把袁隆平的试验田收回去了，许多人劝袁隆平去给王贵认个错，好汉不吃眼前亏。袁隆平给金老师的信被退回来了，胖公推理半天说这封信被人动过手脚，幸好这里面就是问候没被抓到把柄，但看得出来金老师麻烦不小心，应该已经被调离岗位发配到劳改农场了。袁隆平懊恼不已，后悔当初没把种子拿回来。
袁隆平没想到胖公对金老师的判断丝毫不差，更没想到接下来发生的事情完全出乎意料。公告栏里贴了好几张大纸，全都是对袁隆平的批判，随后袁隆平被调离岗位，指派去劳改。袁隆平是国家解放后培养的第一批大学生，说不让自己学有所教是浪费，王贵却说这是集体决议。袁隆平提出了两个条件，一是让胖公接替自己的岗位，二是要在走之前把最后一节课给同学们上了。
袁隆平深夜在篮球场发泄，学生邓哲走来说全班同学都被教务处谈话，要他们谁都不能去上袁隆平的课，否则就会被开除。邓哲想告诉袁隆平，其实大家都很喜欢他的课。胖公一直在调查那个正人君子是谁，袁隆平走前让他照顾好自己的东西，还要看好他的小提琴，最重要的是看好农二班的学生。胖公把自己最珍贵的手电送给了袁隆平，王贵特意喊话叫袁隆平好好改造，说等着他进步的好消息。
袁隆平不予理会，却在听到钟想时突然跑回农二班，在无人的教室上了自己的课。很小的时候母亲就教他学英文，那是在抗战路上遇到日军轰炸，那时候他很小，亲眼目睹日军暴行，妈妈为了抚慰他便给他念英文诗。开始袁隆平以为母亲仅仅是教他学英文，长大后才发现，母亲在传授一门独特的遗传育种学。这变成袁隆平的一部分，变成这个天天向前走的孩子的一部分，这个天天向前走的孩子，还会继续向前走。拿起行李继续赶路，却发现学生们就站在路的两旁，其中也包含着邓哲。
虽然被调离了岗位，但袁隆平并不后悔，从那天起他开始了自己的毕生追求，让人类永远告别饥饿。那天袁隆平高估了自己的体力，带的菜饼已经吃完，抄近路差点淹死在江里，等上岸时已经一点力气没有了。袁隆平在路边昏睡过去，醒来时听见有人在喊自己的名字。是之前助农时认识的人家，水生和儿子大毛，二人拿了饼子和水给袁隆平充饥。袁隆平住在了他们家里，大毛的爷爷广田叔卧病在床，就想吃口大米饭，但现在哪里有啊。
水生睡下后偷偷告诉袁隆平，广田叔猜得没错这屋子里有米，但是大队里面的救命粮，要换种用。这里庄稼长得不好，所以每年惊蛰那天就去其他地方换，据说稻魂也在那里，所以长得好。夜里，屋顶的声音惊醒了水生，他拿起枪指向屋顶，对方便急忙走了。大毛的妈妈熬不住跑了，但他一直不愿意相信妈妈走了。广田叔还是要吃米饭，说吃完了好上路，袁隆平在一旁听着这些话，内心五味杂陈。
袁隆平端过汤劝广田叔多少喝一碗，但他说肚子里没有白米饭，没法去见水生他妈。袁隆平冒雨挨家挨户地讨大米，但跑了很多户人家都没有结果。袁隆平把手电送给了大毛，他想起1936年，妈妈带着他拜神农。惊蛰这天，袁隆平和水生去赶稻谷大集，临走时广田叔的腿已经不肿了，但他知道自己的时间已经不多了，所以嘱咐袁隆平要给水生多掌掌眼，这是全村活命的指望啊。
稻谷大集上请来了东北的农学专家范世钢，袁隆平急忙拿出笔记本记录。拍卖稻魂时，袁隆平忍不住叫了价，而和他竞争的就是范世钢。范世钢听说过袁隆平，说年前给红薯王颁奖，他是评委之一。范世钢拿出身上所有的三十八块钱，袁隆平身上钱不够，水生把身上的钱也给了他，用四十块钱买下了稻魂。范世钢很生气，把两只钢笔也拿了出来，大毛举起袁隆平送他的手电筒也押上了，成功拿下了稻魂。三人举着火把回到家，见屋子里没点灯，广田叔已经去了。水生在父亲坟前哭得十分伤心，他说过，熬过了这个冬天就好过了，可是父亲终究是没等到。袁隆平想起广田叔曾和他说，红薯不能当口粮，水稻和麦子才是当家粮，所以劝他搞水稻，娄底将。袁隆平站在广田叔坟前有种深深地负罪感，作为一个学农的知识分子，他觉得自己欠天下人一碗饭。
袁隆平做了一个萦绕一生的梦，那个神奇的梦境，稻穗好长好长，籽粒像花生一般大，看着就饱了。袁隆平不止一次地进入这个梦，为了它，他用尽了一生。袁隆平醒来后脸上有泪，他说这是开心，因为他做的禾下乘凉梦，他坚信，这个美梦会成真。袁隆平要去育苗蓬溪住，大毛突然喊袁隆平和水生去广田叔坟前看，是天苗，就长在广田叔的坟上。人们把秧苗称为天苗，神圣不可侵犯，袁隆平开始坚信，比有一粒种子能使人们告别饥饿，他要去寻找这粒种子。
大毛还不会很多字，所以请袁隆平帮他给妈妈写信，他稚嫩地说着想对妈妈说的话，却不知道该往哪儿寄。袁隆平带着大毛去把信烧掉，母亲说过带字的纸如果寄不出去就要烧掉。这天要拔天苗插秧，公社柳秘书却来阻止，说明天陈部长要来指导，今天插秧明天人家指导什么？袁隆平不同意，妈妈说过，人误地一时，地误人一年，农人活的就是时令。袁隆平带头下地插秧，水生也跟着他一起，柳秘书气得破口大骂。那天袁隆平忽然意识到，秧苗叫天苗并不仅仅因为它神圣，低头插秧时，秧苗就仿佛长在天上。
大毛怕袁隆平会一辈子留在这里走不了了，袁隆平也怕，他怕做不了水稻研究，但他不后悔，因为知道挨饿的滋味，所以义无反顾地把水稻插到地里。第二天，陈部长带队下乡巡视插秧工作，一个人找到了袁隆平。有人连夜整理了袁隆平的材料去告状，但陈部长并没有责怪他的意思，反而看到了在基层还有袁隆平这样务实不浮夸的工作者，还叫他赶紧收拾东西回农校，要搞水稻研究，农校的条件肯定要比这里好的。
袁隆平和水生、大毛一同去看了广田叔，叫大毛按照自己的记录方法记下水稻。这段时间袁隆平一顿好饭都没吃上，水生觉得有些抱歉，但袁隆平意识到大家碗里没米应该抱歉的是他们这样学农的人，面对乡亲们的告别，他说这次回去一定要找到像样的米，找到了第一个送回来！走在回去的路上，大毛远远地喊话猜谜，谜底是米字。大毛说，我等着吃你的米。
回到农校，袁隆平开始尽心尽力地研究水稻，对他而言每一株水稻都像一个人，还会给每株水稻取名。在稻田工作的日子并不枯燥，袁隆平在这里，遇到了一株与众不同的水稻。邓哲叫袁隆平拍毕业照片，袁隆平却看着她身后的水稻傻笑，袁隆平研究杂交水稻的历程三次奇迹的发现中，这是第一次。袁隆平叫邓哲解下扎麻花辫的绳子系在水稻上，给它取名道鹤立鸡群。毕业班上，袁隆平拿着“鹤立鸡群”的照片鼓舞同学们，说明年请大家一起回来目睹他今天的预言，一起见证鹤立鸡群亩产千斤。袁隆平说，每一个人都是一粒种子，种子健康才能根深叶茂，硕果累累。
袁隆平走时说抽屉上了锁，特意叮嘱胖公不要看，胖公很好奇里面是什么，但袁隆平说现在还不能说。胖公觉得袁隆平今天的话有些冒失，还说也许那个正人君子听到会去贴大字报。袁隆平不以为然，没想到下一秒就被喊了过去，那位正人君子讽刺袁隆平搞千斤稻是瞎胡闹。王贵借机逼袁隆平承诺搞千斤稻，不成的话就把他赶回去上劳动实践课。
胖公还在排查正人君子的名单，袁隆平则干脆住到了试验田边上，期盼着能出现一个奇迹，后来的确出现了，西安刚出现的时候没人以为是奇迹，袁隆平也是。1962年夏，正人君子又写大字报批评了袁隆平，袁隆平也想不明白，即便达不到千斤鹤立鸡群的种子也不该如此凄凉，他打破头都想不明白。一年前袁隆平和大家约好回来见证预言，不过大家听说结果很是伤感不想打扰，就派邓哲做代表。邓哲聊着天劝慰袁隆平，袁隆平很多年都后都记得这次谈话，不过邓哲却不记得那天来过，只记得满天风雨在传，袁隆平因为千斤稻失败，疯了。
胖公急急忙忙拉着袁隆平，说要带他去相亲，袁隆平醉心于研究，被他生拉硬拽过去。媒婆带着荷花已经来了，袁隆平却只是端详着手里的麦穗，想鹤立鸡群抽风的原因，和别人完全不在同一个频道。胖公一个劲儿帮袁隆平说好话，袁隆平却突然瞪圆了双眸望着窗外顿悟道，它是杂种！媒婆和荷花人都傻了，却见袁隆平跑了出去，还不忘赶胖公回去继续相亲。
袁隆平赶到试验田，赶走了那些拔秧苗的人，计算出了两种不同形态正好为三比一，说明鹤立鸡群是杂交稻，袁隆平并没有失败，他成功了！奇迹出现了，袁隆平决定立刻去找金老师。临行前，袁隆平见到了胖公的未婚妻，就是荷花。金老师已经不住在原来的地址了，袁隆平偶然遇到师母在扫马路才知道金老师在劳动农场。金老师的种子都被收缴封存了，不过他猜到袁隆平可能会来，就叫袁隆平去北京找鲍文奎，他会帮袁隆平的。鲍文奎原是金老师的学弟，袁隆平也没有信心他会理会自己这样一个偏远农校的教师。站在天安门广场，袁隆平久久不愿离去，他出生在这里，当时北京还叫北平，所以他叫袁隆平。
农科院外，袁隆平遇见了一帮民科，遇到了同是搞杂交水稻的大手老师，他自称是鲍文奎的朋友。