1961年1月，从事基础领域研究的研究员于敏突然被带走问话，是关于他在国民党后勤军官的叔叔于振林的，因为他要照顾奶奶一家，于敏每个月都会给他汇钱。于敏被带走后妻子孙玉芹急匆匆地带着女儿去找领导老郝，问他是不是犯了大错误。老郝连忙去找了部长，他是绝对相信于敏的。在老郝和部长的保证下，于敏才能够脱身。
于敏和孙玉芹一直在为出国留学做准备，为此还特地改了一身特别好看的西服。老郝匆匆来找于敏，打着看戏的名义约于敏谈事。于敏看得出来老郝的意图，孙玉芹也就带着女儿于元回家去了。看完戏老郝才道出来意，老郝想把于敏调去别的领域，去做氢弹理论预研工作。于敏同意了，老郝惊讶于他的爽快，他本是个角儿，可是一旦过去就要从零开始，点了头不仅要放弃留学，放弃之前的所有荣誉，更要隐姓埋名把这个秘密带到坟墓里，从明天起谁也不会知道于敏在做什么，包括家人。于敏的态度依然很坚决，想要和平就要有不把打仗的底气，这就是核平衡。既然我们造的就是底气，这是关乎国家存亡的事情，必须干！
这件事情孙玉芹全然不知，还在为留学做准备，苦练英语。于敏告诉师傅不用把衣服改成西装了，晚上又告诉孙玉芹说他只能每个礼拜天回来，也不出国了。孙玉芹实在想不通于敏要去干嘛，老郝也是支支吾吾的，于敏索性顺着她的话说是做炸弹。次日，于敏正式去上班，第一日就听到大家在争论一个专业问题，他也说了几句，也把大家擅长的领域分析地很透彻。老郝赶来后大家才知道，原来这个看起来很厉害的人就是于敏。老郝安排于敏和陆杰一起搭档，不过也许是刚刚的争论陆杰没有理会于敏。
孙玉芹把厚厚的，记满英语单词的笔记本烧了，于敏则从此投身进了氢弹基础的理论研究中。陆杰一直不服气于敏，所以和于敏打一场赌，同事们挤在一起看他们的热闹。于敏输给了陆杰，绕着操场跑了好几圈大喊“我输给陆杰”了。但于敏只是这一把输给陆杰了，刚跑完没歇口气于敏就说他的算法和报纸上的数据都有问题，陆杰对此不屑一顾。
于敏总是第一个去食堂打饭，走的时候还带点萝卜条，同事们都以为他是为了占便宜，陆杰也讽刺他不应该这么干，还偷偷把萝卜条拿走了。直到于敏趴在桌上腹痛难忍，陆杰才意识到问题的严重性。送到医务室后他才于敏有十二指肠溃疡，肚子饿更容易加剧疼痛，这也是老毛病了。经此，大家才解开了对于敏的误会，再次回去工作后，于敏发现自己的抽屉里塞满了粮食。于敏周末回家时也忙着研究，最近粮食紧缺，孙玉芹让他去剪点儿柳树芽，至于怎么吃她有办法。
科研工作难，再加上食物不够，大家常常熬到晚上饿得两眼冒金星，陆杰也是。为了解决这个问题，于敏带着大家下水捞鱼，不过他水性不太好，就在岸边等着。于敏的姐姐于愫来家里了，邻里都传于敏政审出了问题孙玉芹要和他离婚，于愫才会拿着这么多东西来劝她。
于愫这次来是为了于敏，她给单位写信被退回来了，人也是一个多星期不回来，河北老家的人都说于敏被开除了。孙玉芹也不知道怎么解释，总之于敏不说，她应该保密。于敏和陆杰他们捞了半天，只捞上来一条小鱼，他们认认真真地分析了究竟是技术问题还是理论问题，有些滑稽。于敏下班时于愫已经走了，她其实也不愿意留下来吃饭，于母带的鱼干不多，她怕于敏不够吃。孙玉芹絮絮叨叨地说起了于愫来家里的事，于敏却已经投身计算中两耳不闻，最后得出结论，美国期刊错了！
计算结果是全世界最权威的期刊，陆杰等人对于敏的结果充满了怀疑，但于敏认为科学不相信权威，他相信自己的计算。大家都选择相信陆杰，陆杰却选择相信于敏，站在了真理这一边。陆杰也愿赌服输，不过于敏还没想好让他做什么，叫他先打个欠条记下来。最终领导拍板放弃错误模型，于敏避免了几亿人民币的损失和三年时间的浪费。
半夜，孙玉芹大着肚子，感觉到要生了就拜托邻居刘姐帮忙去照看一下于元，自己拿着洗漱用品去了医院，路上更是疼痛难忍。孙玉芹生下了一个男孩，于母开心地不得了，于敏也是。于母数落了一顿于敏不管家里事儿，转头去找落下的老母鸡，弄得于敏夫妇哭笑不得。
于敏在老郝办公室熬了一整天，要求增加用计算机的时间，撵都撵不走。老郝无奈极了，于敏是厉害没错，但是科研也要顾全大局。于敏非要每周多加两个小时，老郝无奈之下去找了领导，用于敏的办法在他办公室耗着。组里来了新人，于敏文化、体育两手抓来了一次考核，最后只有一个人通过了他的考核，这个人就是原瑾泓。他出身不太好，毛病也有点多，于敏却打定主意就要这个人。
于敏带着原瑾泓在机房计算数据，发现数据错误于敏判断机器坏了，找维修师傅来了一趟，没想到他真的说中了，原瑾泓对他十分崇拜。科研人员没日没夜地熬，计算数据，渐渐地有人熬不住了。陆杰让老郝弄点鸡蛋给大家补补，可是他搞不来。老郝和陆杰、于敏一起打牌，原瑾泓有些郁闷，全国人民都等着他们造氢弹，他们却在这儿打牌合适吗？老郝三人看了他一眼道，磨刀不误砍柴工。
家里的鸡下蛋了，孙玉芹把鸡蛋攒着等于敏回来一起吃，两个孩子眼巴巴地看着。于元不愿意吃饭，想吃鸡蛋，孙玉芹叫她数着日子，于敏还有两天就回来了。话音刚落于敏就回来了，说是回来拿东西的。他把鸡蛋带了回去，奖励给了有进展的陆杰，以后谁有进展谁就吃鸡蛋。于元发现橱柜里的鸡蛋丢了喊来孙玉芹，里面只放着于敏留下来的借条。因为压力太大，陆杰失眠了，于敏等人看着他犯困连忙拉上窗帘打开了灯，说已经半夜两点叫他回去睡觉。宿舍的窗户早就被几人钉了起来，营造出一种半夜的假象，陆杰这才安安稳稳地睡了一觉，整整睡了十八个小时。
孙玉芹管刘姐借了一个鸡蛋，做成了蛋花汤给两个孩子吃。研究遇到了困难，迟迟给不出进展，上面要他们给一个说法。陆杰提醒于敏有人觉得这是政治问题，让他注意一点。
因为研究一直没什么动静，上面开起了批斗大会，大家大气不敢出，于敏发声道，搞科研搞理论讲的是实事求是不能贸然推进。上级厉声质问究竟是不是因为政治问题，于敏一拍桌子道，科学只有科学的问题！今天这一关算是勉强过了，于敏在老郝面前也着急，现在摆在勉强的有三到四种算法，白天晚上没日没夜地做时间也是不够用的。于敏突然有了灵感，急忙叫大家来集合，说就按照古人的兵法分兵迎战，分成两组。
于元在渐渐长大，不过还是对鸡蛋的事情耿耿于怀，和孙玉芹说不想爸爸，因为爸爸不在他们就能吃到鸡蛋了。原子弹爆炸成功了，千军万马都调过来帮忙攻克难关，可人多了依然没什么进展。广播里放起了歌，原瑾泓跟着哼了起来，于敏和陆杰等人沉迷研究完全没有听过，毕竟平时连吃饭都没有时间。大家很久没有出过门了，睡眠不够，也不按时吃饭，于敏决定放假三天，只许外出不许工作。大家都不理解于敏的意思，不过还是被他赶回了家，爬山、看电影也好，带孩子也好，总之不要再继续工作了。话虽如此，于敏却留下来看着黑板上的算法发愣，原瑾泓找借口回来都被他赶走了。领导听说这件事在找于敏，于敏借口出去没去见。
于敏第二天才回家，于辛坐在院子里嗷嗷大哭，孙玉芹生病了说是头疼想吐。孙玉芹给于换了裤子，家里也没药了，于敏给她倒了杯水匆匆去医院给她开药。于敏拿着户口本去医院挂号，护士问他什么症状他也回答不上来，药也没开回来。孙玉芹面色蜡黄，说躺一会儿就好，还起身要给好不容易回来一趟的于敏做饭吃。原瑾泓突然跑来说他算出来了，准备回院里重新推算一下，孙玉芹让于敏放心地去。灵感是熬夜熬不出来的，大家还没来得及高兴 于敏就突然病倒了 。
于敏再次醒来已经是在医院，孙玉芹一脸担忧地守着他。孙玉芹和于敏结婚前于愫给他们介绍了见面，于愫说他这个人工作起来很拼命，只是具体也说不上他算得是什么。但于敏有个天大的好处，但凡心里有你就不会再有别人了。孙玉芹当时还急着回去上班，和于愫告别后就走了，正巧在门口碰见了于敏。于愫给于敏介绍一次对象就得罪一次人，所以这次他迟到，于愫拍下孙玉芹的照片就走了。直到现在，于敏沉迷工作的毛病还是没变，医生不让他动脑子，孙玉芹不给他带纸和笔，她不求于敏家财万贯也不求他每天在家，就求他好好的，身体不要出问题。
于敏还是没有听话，孙玉芹回去后，于敏就偷偷跑回了院里和陆杰讨论。1965年9月底，上级派于敏带队去上海突破氢弹研究的关键问题。孙玉芹帮他收拾行李，问了很多的问题，但于敏也说不出来。孙玉芹有些难过了，她可以什么都不问，可是孩子们该怎么办，他们每次都问爸爸在干什么，孙玉芹不知道怎么说。其他小朋友问他们爸爸是做什么的，他们也说不知道。于敏依然一言不发，回应孙玉芹的只有叹气声。孙玉芹带着两个孩子送于敏离开了，邻居刘姐见状，更觉得他有问题了。
上海华东计算研究所，于敏和陆杰到达后，借他们的是陆杰留学时的同学姚兰。孙玉芹也不忘每个月去给家里汇钱，只是被问到爱人是做什么工作的，孙玉芹只能淡淡的回答四个字，我不知道。计算量大，人却不多，陆杰建议学习蚂蚁的分工，同时推进汇总结果，于敏顿时理解了他的意思，并且站出来做分工的计划。姚兰本想约陆杰去看电影，不过他很忙没时间，二人就一起散步，一起回想当初留学的趣事儿。姚兰对陆杰的崇拜之情溢于言表，陆杰却还打算回去睡会儿接着熬，离开时姚兰在他手里放了一颗奶糖，说太辛苦的时候尝尝就甜了。