1952年的上海，港务局青年活动会上，黄旭华和李世英相识。那是李世英第一次给黄旭华理发，没想到一理就是一辈子。李世英要去大连读大学进修，离开的那天，李世英跑到港口和他告别，黄旭华的船已经走远，她就把东西留给刘主任拜托她一定要交给黄旭华，里面是一把推子。
1954年，上海船舶工业管理局。刚从列宁格勒造船学院毕业的严保国作为苏联专家瓦西里的翻译回国为祖国效力。关于仿制鱼雷艇，黄旭华向瓦西里提出了自己心中的疑问，却被告知只需要学会仿制就好，因为中国目前的工业不足以建造潜艇，就算被侵略，苏联也会保护好我们的。结束后黄旭华依然追着向瓦西里提问，结果被严保国阻止了，说他刚才的举动太过分了，也希望他能清醒一点，老大哥现在只想教我们仿制，除此之外什么都别想。可黄旭华不是这么想的，他想学到更多。午饭时，黄旭华带着家乡的酥肉，用生疏的俄语向瓦西里提问，人家听不懂他就用肢体语言，被严保国生拉硬拽赶了出去。
某个雨天，黄旭华正在学习俄语，遇见了同在公交车站躲雨的李世英，她来这里当翻译。第一次给苏联专家做翻译，严保国提醒李世英不要给黄旭华做翻译，他嘴里蹦不出几个单词，却还非追着苏联专家聊天。李世英当然没有听他的，黄旭华一贯第一个举手提问，李世英也认认真真地帮他翻译。下课后，李世英再一次帮黄旭华剪了头发，黄旭华则拿着镜子偷看她。这一幕引来了不少人的围观，瓦西里都为他们的爱情鼓掌。
不久后，黄旭华和李世英结婚了。同事朋友们送来祝福，黄旭华和严保国在婚礼上高谈阔论，被生拉开后才一起跳舞。1958年，黄旭华和李世英已经生下了一个女儿，黄旭华对她十分宠爱，每天怎么抱都抱不够。上班后，黄旭华被吕所长叫去，给了他一封介绍信和火车票，让他马上出发去北京。火车是十点的，黄旭华甚至来不及回家收拾衣服，只能写下临时出差的纸条折成船的样子，让严保国把这个交给李世英。
严保国和春玲搞不懂黄旭华到底去了哪儿，李世英却很放心，他说了勿念，也说过很快就会回来的。到北京后，黄旭华拿着介绍信来到北京海军参加会议，认识了来自福建的赵达生和海军刘宏元，他们对将要开的会一无所知。会议开始后于所长让他们把本子收起来，不要做记录，他们要从事的工作保密性极强，从现在起要断绝与外界的联系，无论是妻子、父母还是朋友都不能暴露工作单位，一辈子都要做无名英雄。闻言气氛沉重，却没有人退出。于所长便宣布了大家来这里的目的，从即刻起，开始研发我们自己的核潜艇。他们面对国旗宣誓，像核潜艇一样潜入深海，不知何年再与亲人朋友相见了。忠于祖国忠于党，严守秘密遵守纪律，不达目标，绝不放弃！
吕所长去通知李世英，说黄旭华有任务暂时不能回来，要在北京待一段时间，无论家里有什么事情组织上都会帮助她，李世英对此一头雾水，也十分担心。大家挤在军乐团的楼里做研究，天气炎热，所长挨个儿给大家发了冰棍。黄旭华和赵达生、出去买书，回来的时候却因为没有证件回不去了，还被所长给训了一顿。他们抱怨自己是杂牌军，所长却说他们就是杂牌军，隐身的滋味才刚刚开始，未来许多年都将如此。
1958年的北京，科研人员正在热烈的讨论，于所长忍不住进来听了一下，黄旭华能够听取不同的意见，也没有参与热烈的争论，于所长好奇地问他怎么一个人在这儿不说话，黄旭华回答他还没有最大程度的占有资料，不好发言。李世英收到了黄旭华寄来的一封信，这是黄旭华抽空写下的，来来回回写了好几次都撕了，最后写下寥寥几行，最后留下两个字，勿念。李世英收到来信终于放心，回信给他。
严保国也被调来北京，还和黄旭华成了室友，黄旭华追着他问闺女怎么样了。李世英还给黄旭华寄了几件衣服，和一个叠成小船的纸条，黄旭华看过后忍不住发乐。严保国问黄旭华进展如何，黄旭华如实回答，一开始所有人都干劲十足，可是后来一点点发现以前学到的东西完全用不上，数据、仪器、材料都很缺乏，一切都要从零开始。严保国觉得不至于，说三年之内一定能搞出来，黄旭华笑他太乐观了。熄灯号响起，打断了二人的争论。黄旭华躲在被子里打着手电筒看女儿的照片，提笔写下给父母兄长的信。
大家一致认为现在最需要的是时间，可是一到会上就没人敢提反对意见，严保国一拍桌子说明天讨论会上谁也别说话，他来说！次日的讨论会上，于所长问他们三年内能不能下水，严保国还没来得及站起来黄旭华便反对，研制很着急，但也不能违背科学规律，科学研发可不是人有多大胆地有多高产的逻辑，严保国补充认同。于所长说他和严保国会访问苏联，登上核潜艇带回第一手资料，有老大哥的支持，三年时间并不是不可能。
中国代表团访问苏联归来后，带回了不少东西，众人见状急忙去问严保国什么情况，严保国却低着头什么话也不说。苏联专家要全部撤走，资料也要带走，黄旭华却并不担心，这个世界上离了谁都是一样转的，大不了就从零开始。核潜艇下水时间推迟到了五六年以后，但是科研任务一天都不能耽误，于所长让黄旭华和严保国去找能够做实验的大水池。黄旭华和严保国回到了上海，路过家门却不能进，二人只能忍着。
春玲告诉李世英有人在大食堂看见黄旭华了，李世英有些不相信，他真的到了上海还能不打招呼不回家啊？黄旭华在实验水池忙碌，严保国接到上级指示特批一天假可以回家连忙来通知他。黄旭华有些恍惚，还以为自己在做梦。李世英推开家门看见黄旭华陪着女儿情绪激动不已，二人久别未见，至于女儿对黄旭华还有些认生呢。李世英又给黄旭华理了一次发，黄旭华还是举着镜子从里面偷看她，满眼深情。
女儿今天很精神，晚上都不睡觉。李世英问黄旭华以后能不能常回来，得到答案有些失望。第二天离开时，李世英抱着女儿黄海燕站在窗前目送黄旭华，黄海燕终于开口叫了爸爸。在水池子里泡了整整两年后，严保国有些不耐烦了，我们的目标是大海深处，不是这个小水池！黄旭华却在这个时候收到了来信，父亲去世了。黄旭华默默流着眼泪，如果他请假领导一定会批，但也一定会很为难，他立下的誓言不能违背，父亲在天之灵一定会明白他的。所以母亲并没有怪黄旭华，他没能回来，一定有他的难处。
转眼到了1962年，黄旭华带着李世英和黄海燕来到了北京分配的宿舍，他们和严保国住一个院子。黄旭华给黄海燕改了新名字，叫做黄燕妮。
北京，1962年。黄旭华发现大家匆匆离开，严保国也一脸落寞地告诉他一切都结束了，核潜艇下马了。会议室内，科研人员无一不耸拉着脑袋，个个没有精神。于所长劝大家要理解，当初他就是在这里迎接的大家，马上要离开奔赴新的岗位，但是总没有离开老本行。于所长希望大家打起精神来，我们是核潜艇人，我们会见面的！黄旭华等人默默流着眼泪，他们都想不通这是为什么，却也只能被迫接受，默默离开。
严保国和黄旭华郁闷地喝着酒，为了核潜艇他们没日没夜地吵，没日没夜地画，如今却是一场空。严保国十九岁就去了苏联，他是可以留在苏联的，可是想要争一口气，他回来了。苏联觉得他们造不出核潜艇，严保国大老远跑到苏联就是想见见那个核潜艇，可是他们却不让他上去。从那个时候开始严保国就发誓要争一口气，可是核潜艇怎么就下马了呢。黄旭华冷静地把喝醉的严保国带回了家，第二天于所长告诉黄旭华，接下来组织上会留下几个人继续研究做保留计划，以便将来东山再起，黄旭华是其中之一。接下来于所长要离开一段时间，黄旭华会成为一个孤独的潜行者，要有耐心等到我们国家度过最困难的时期，在重启之前，黄旭华不能放弃。黄旭华握着于所长的手答应道。
黄旭华一家送严保国一家离开了北京，两个小女孩也依依不舍的。黄旭华依然如往常一样去做研究，不同的是身旁没有了并肩作战的朋友，只有他一个人。核动力组的老彭也留了下来，黄旭华和他聊了起来。老彭父母双亡，从小吃百家饭长大，心中意志十分坚定，他是不会放弃的。黄旭华点了点头，他也不会放弃。留下来的人便在这段时间互相学习，坚定着走下去的信念。
1964年，我国第一颗原子弹爆炸成功，举国上下沸腾不已。于所长回来了，在楼下喊着黄旭华的名字，让他带上三年研究的资料下来。黄旭华连忙带上三年来的资料和于所长去了国防部于部长家，于所长负责拜年，黄旭华负责汇报。核潜艇项目重新启动，大家从各地回到了北京，但我国的核潜艇事业依然任重道远。
因为设计问题，严保国又和黄旭华吵了起来，双连吃饭都不安生。上级最终采取了严保国的方案，第一艘核潜艇按常规线性设计，这对黄旭华和赵达生如晴天霹雳。于所长接到临时通知，中央军委要听取水滴线型的设计汇报，让黄旭华带上资料跟他去，还要他暂时保密。黄旭华很担心严保国的心情，却也没办法说。晚上，严保国一回来就在闹脾气，黄旭华回来就听到他在砸东西。两家人突然闹起了别扭，黄旭华想找严保国好好聊聊却没有回应。
于所长特地找严保国谈了一次话，水滴线型的方案马上就要实施了，严保国怎么能在这个时候撂挑子！现在压力最大的人是黄旭华。