等待计算结果时的大家心里都在打鼓，于敏和陆杰带头背起了诗词。计算结果出来了，原瑾泓摇了摇头，于敏掩不住的失望。计算结果总是不理想，于敏只能联系了老郝。刚挂电话部长就来了，部长问他氢弹理论研究有没有突破，老郝只能如实回答，暂时没有。部长要叫他们回来，老郝追着部长要时间，从一个月缩成了一个星期，再到五天。部长答应了，可是五天的时间够干嘛呢。
时间紧迫，难题摆在眼前，于敏连睡都睡不好，又不断和内心的另一个自己争辩。于敏知道自己应该快一点，国家着急，可搞氢弹务必要稳扎稳打，走好每一步。于敏满头大汗地醒过来，陆杰来了。现在的问题就像是放风筝，知道它在哪儿却抓不住那根线，只要抓住这根线就能够跑起来。于敏和陆杰说了自己的新想法，陆杰连忙跑回去告诉大家他的想法，准备两个模型试一试他的办法，应该是可以的！可是忙了一晚上，计算结果依然不怎么理想。
老郝承诺的五天时间到了，领导在电话里等消息。老郝最终无奈，决定打给上海华东计算机研究所。上海这边，于敏蒙头洗了把脸，又回去机房和大家并肩作战了。计算再次开始，机器突然出了问题需要重启，时间不知道还要多久。于敏说大家等了一百多天了，也不在乎这一会儿。老郝打电话过去找于敏，不过如果他在机房，他可以等。于敏和陆杰下着象棋，机器已经重启好了，计算结果也出来了。原瑾泓叫来于敏和陆杰，成了！多次计算过后，确认无误，的确成功了！机房陷入欢呼，于敏却再一次晕倒了。
醒来后的于敏连忙跑回院里和老郝通了电话，为了保密，二人在电话里没有直接说出来，但于敏告诉老郝离赢只差一步时，老郝十分激动，连忙约好上海见。于敏又给孙玉芹打了电话，于辛在那边哭闹，孙玉芹和他打了个招呼就把电话挂了。于敏会想起和孙玉芹第二次见面的场景，那时候他给孙玉芹买了上海产的玻璃丝袜，然后就没钱请她吃面了。孙玉芹善解人意地付了钱，还担心他没钱买票把袜子退了。
陆杰去帮姚兰修灯泡了，姚兰大胆邀请他再跳一次留学时的舞，陆杰却拒绝了，因为家里给他定亲了。姚兰问他喜不喜欢她，陆杰没有回应，二人道过再见便离开。老郝和于敏聊着天，这次他当居首功，二人约好等于敏回北京请他看戏。原瑾泓爱人带了不少好吃的分给大家，众人聚在一起喝酒，因为工作的特殊原因，家人、爱人都不理解，原瑾泓的妻子甚至向他提出了离婚，说这个家不需要他。原瑾泓喝得酩酊大醉，老郝路过听到这些话内心五味杂陈。
次日，老郝回北京的飞机出事了。飞机坠落，老郝因此去世。
得知老郝的死讯后的于敏心情极其复杂，他强忍着眼泪，还是忍不住蹲下失声大哭一场。从上海回北京后于敏回了家，却见家里锁着门，刘姐才告诉他说，他家都搬走了。于敏寻着地址找去了新家，于辛正在楼下玩耍，见到他一脸陌生地问“叔叔你找谁”。于元连忙开口道，这是咱爸呀，于敏脸色复杂。
于敏在家也忙于计算，于辛奶声奶气地走过来，要他带自己去放风筝。于敏还在忙和他交换条件，说忙完给他做个能飞的飞机，父子二人手拉手拉钩约定。于敏忙了一晚上，一早去了单位，于辛看着还没做好的木头飞机问孙玉芹他什么时候回来。
1965年12月，青海。于敏带队带队去了厂区，被起哄说几句。于敏摘下帽子，哽咽许久才开口。氢弹设计在理论上已经取得了突破，这一句话反复三次，越说越激动。于敏说想先去车间看看，五室接触核辐射有危险，不过于敏并不怕什么。来到这里后的工作越发紧张，于敏和陆杰的宿舍大半夜被敲响门，说出事了。范师傅日夜加班不小心把氢弹外壳弄出了一道沟子，认真查看后于敏担保，这个不会影响爆炸。范师傅给于敏弄了些饺子，问他科学是不是真的，于敏安慰他人和机器的最大区别就是机器不会犯错。范师傅对自己的手艺一向很自信，他向于敏坦白了出事的原因，不是熬夜熬不住了，而是因为他在这儿待了三年半都没回过家，对象等不下去跟别人走了。
1966年元旦。部里给科研人员家属组织了联欢会，让他们说一说心里的委屈。孙玉芹带着于元和于辛，听到陈嫂流着泪说家里的苦，心里同样难过复杂，流下了眼泪。她也是这样，一个人带着两个孩子，在他们生病的时候独自带他们去医院。部长深深地向大家鞠躬道歉，一直没说话的孙玉芹站了起来，家家有本难念的经，既然自家男人干的是保密的活，她们也不能倒下，还招呼大家以后谁家有急事互相帮助，日子总是要过下去的。
工人们追着于敏问问题，于敏看起来不太舒服强撑着，突然有人过来说陆杰突然在八号材料车间晕倒了。于敏去医院看了陆杰，医生很好奇地问他们到底是干什么的，于敏沉默。医生说他们神神秘秘地导致有很多传言，有人说他们是研究潜艇的。于敏追问医生陆杰的情况，医生说很严重，可能最多只有五年时间。陆杰去找过姚兰，但是她调走了。他拿出姚兰给的那颗奶糖，感觉到了一些甜。陆杰的病房被拉上了帘子，于敏在帘子外跟他下棋。陆杰第一次夸于敏，其实他对自己的身体情况很了解，这场仗是他输了。家里人并不知道他的病，于敏拿出了当初打赌陆杰写下的欠条，现在到了要兑现承诺的时候，于敏要他好好活着。还有一件事，于敏让陆杰当他的入党介绍人。
1966年，新疆。于敏带队前往新疆，部队里老马带人来接他们。于敏让刚才吐了的三位同志去坐小车，自己带着剩下的去坐大车。天寒地冻，路途颠簸，一路上都很不易。
车半路丢了个车轮子，老马连忙叫人去找，于敏却指了指旁边说轮子在那边，见老马不信就自己去找，这是科学。于敏确实说中了，老马都有些奇怪了。终于到了营区，众人急忙捧起杯子要暖和暖和。但是这里的水是苦的，还夹杂着沙子，原瑾泓甚至直接吐了出来。于敏全喝了下去，这些都是大家几十公里打回来的水，只有这样才能在戈壁滩上存货下来。煤没运过来，戈壁滩冷得要命，众人缩在帐篷里睡也睡不着，只盼着能够赶紧天亮，也许就不会这么冷了。为了取暖，大家齐唱《我和我的祖国，歌声唱进了每一个人的心中，支撑大家熬过寒冷。
于敏带人去做实验，没想到仪器在运来的路上颠坏了，新的还运不来必须得等。老马觉得时间紧催他们进行另外的项目，可是测试需要顺序，于敏和他又吵了起来。晚上，于敏想去捡点柴火，因为没力气被老马取笑了一番，不过他还是帮忙了。老马递来一根烟，于敏不会，不过还是接了过来。于敏和老马说起理论研究，搞理论就是盖房子，三天两头就要塌一次，个中心酸只有自己明白，老马突然对他们有些佩服。第二天，老马派人给于敏送了淡水，水不苦了，也不会拉肚子了。
明天就要零时了，于敏和老马激动又紧张，老马说当年冲锋陷阵都没这么害怕过。于敏也紧张，连手都在抖，但是只要理论扎实，又有什么好怕的。这次实验成功概率有百分之八十，老马好奇地问于敏这说法对不对，于敏没有回答。1966年12月28日，氢弹原理实验现场。倒计时后，氢弹成功爆炸，大家都沉浸在氢弹原理实验成功的喜悦之中。离开这里时，老马带着兵送他们，这么些天相处下来，老马已经认可了于敏，也明白了他说的那句，相信科学。
孙玉芹见于敏回来了，冷冷地问他，还活着呢？于敏这么多年都没几天在家的，孙玉芹一个人撑着家又当爹又当妈的，于敏是知道她的辛苦的。孙玉芹赌气闷头干活，于敏说起他们第一次第二次见面的场景，笨拙地哄着她。孙玉芹鼻子红了，叫他把煤球搬进去。晚上，一家四口窝在一张床上，于敏给两个孩子讲故事，没说几句他们就困了。于辛一直记得上次于敏说话不做数没做好的飞机，还说他老是不在家，小朋友们谁都敢欺负他。于敏为了给于辛撑腰，拉着他上幼儿园要对方道歉。回去的路上，于辛听话了许多，父子二人也变得温馨许多。
1967年6月17日晨，于敏做好了飞机，带着于辛一起去试。这一天，新疆罗布泊上空，中国第一枚氢弹爆炸成功。于敏和孙玉芹带着孩子们拍完全家福后，见举着国旗自发游行的人们大喊祖国万岁，说是氢弹爆炸成功了。于敏拿出钱，说要买只烤鸭，不过孙玉芹说家里用钱的地方还需要很多，还是不买了吧。
听到广播里慷慨激昂地讲述着氢弹爆炸的消息，于敏热泪盈眶流下几滴热泪，于他而言，这是一场无声的庆祝。于敏刮掉了一直以来没时间打理的胡子，把国旗放在桌子上看了许久。孙玉芹似乎也明白了什么，看向他默默流了几滴眼泪。鞠躬尽瘁，死而后已，科研人员深藏功与名，实现了对祖国的无悔誓言！