黄旭华压力大，于所长想尽办法宽慰他，从无到有本就是需要冒险的。严保国突然冲进来一把拉走了黄旭华，说他爸有个做外交官的朋友，他从国外带回来一个核潜艇仿真玩具。众人围着这个玩具兴致匆匆，于所长告诉大家从现在起要开始新的挑战，转战福禄岛！
1966年，黄旭华把李世英和黄海妮接了过来，这天赶上了一场大雨，黄旭华说雨过天晴后，这岛上很美。严保国和春玲早早地就来了，抱着黄燕妮去找严海霞玩儿去了。李世英见屋子里漏风又漏雨，环境简陋，愣了一下，又埋怨黄旭华早就应该让她来的，他一贯不会照顾自己。只是不该让黄燕妮跟他们一起遭罪，她身体弱。李世英想养一只鸡，下了蛋给黄燕妮吃，黄旭华有些心疼，让她受苦了。李世英见黄旭华手上都是茧子有些纳闷，他分明是做研究的，却不知他也要做体力劳动。一家子暂时在这个海岛上安家，黄燕妮管鸡叫布娃娃，李世英说奶奶给她做的布娃娃丢了，她哭了一路呢。严保国拉着黄旭华就跑，说赵达生和别人因为设计图吵起来了。黄旭华在这边解释半天，又去另一边解释，赵达生提议做一个一笔一的模型又引起了群情激奋，哪儿来那么多钱啊！图纸虽然画出来了，可是没有人见过核潜艇，谁也不知道应该怎么做，大家依旧是两眼一抹黑。
黄旭华正头疼时，见到了黄燕妮捏的过家家玩具顿时有了主意，二话不说往外冲。没想到赵达生已经做了个模型出来，连忙让他做个设计图，用木头做个和核潜艇一模一样的模型。然而这个提议遭到了强烈反对，有人认为如果传出去太有损脸面了。黄旭华和严保国为此去找于所长，于所长听到二百五十万的经费顿时急了，黄旭华和严保国你一言我一语的，于所长才勉强答应。老彭他们的核动力组也来到了福禄岛，和黄旭华他们并肩作战。
微机室外，黄旭华和严保国、赵达生、宏元四人排着队，争分夺秒地进行运算。大家都在争分夺秒地进行生产，没想到结果超重一百八十四吨，几百号人埋头苦干结果是这样的结果，黄旭华气得拍桌子吼。黄旭华第一次发这么大的火，连严保国都吓了一跳。布娃娃下蛋了，黄海妮和严海霞为了让它多下蛋给它吃大米，可这些大米是人都不够吃的，俞连长想要阻止，黄海妮却说她要让布娃娃下更多的蛋给黄旭华吃，他平时都舍不得吃的。深夜，俞连长偷偷把两个鸡蛋留给正在做研究的黄旭华和严保国。
黄旭华和严保国商量了一下，决定重新生产零部件，这次要亲自监督。全国两千八百多个工厂同时开工，严保国将大家一一做了分组赶往全国各地监督生产。李世英听说俞连长给科研室送的鸡蛋都是从战士们嘴里扣出来的，黄旭华叹了口气。其实李世英特别想让黄燕妮回城里上学，可现在看来他们必须做好长期安家的准备，黄旭华整天忙得连觉都睡不够。俞连长拜托黄旭华下次去北京的时候帮他带只口琴，他媳妇儿要生了，他想下次探亲吹给他们听。黄旭华把自己的口琴送给了俞连长。
放学后，李世英和春玲去接孩子们，严海霞悄悄告诉春玲黄燕妮上体育课饿晕了，她把早饭偷偷给布娃娃吃了。回家后，二人忽悠两个孩子回去写作业，拿着刀准备把布娃娃给杀了。黄旭华听说黄燕妮晕倒知道她营养不良，盘算着给她弄点好吃的补身体。李世英来给他送鸡汤，黄旭华知道这是布娃娃后吃都吃不下去了，那可是黄燕妮的宝贝。
1969年，福禄岛。李世英和春玲把布娃娃杀了炖汤喝，黄旭华皱了皱眉头说她捅马蜂窝了。二人回到院里就听黄海妮和严海霞哭闹的声音，吵着闹着要布娃娃，严保国和黄旭华怎么哄都哄不好。李世英忍着情绪走进屋子里，说还剩下一些，让黄旭华吃了别浪费。黄旭华没吃，李世英情绪难过起来，她连鸡骨头都不舍得吃，这么做是为了谁啊。黄旭华连忙安慰她别生气，决定把鸡剁成馅儿包到云吞里，黄燕妮一定会吃的。
闲暇时候，黄旭华就一个人躲起来拿起针线，给黄燕妮缝布娃娃，严保国发现后忍不住取笑他。1970年，第一艘攻击型核潜艇服役，同年中国第一艘战略核潜艇开始研发。1974年，美国发表了导弹水下发射稳定性的论文，黄旭华认为应该马上跟进，他把赵达生和刘宏元调进战略导弹小组协助研究。黄旭华太过武断，严保国连忙拉着他出来，有几个人正准备打他小报告呢，这个决定万一失误了会引起很多风险，黄旭华却依然坚持，他相信他们设计的稳定系统没问题，如果错了，他负全责。
李世英帮黄旭华理发，最近他压力大，饭你也吃不下觉也睡不够，日渐消瘦。春玲跑来找孩子，她去学校接孩子老师却说因为刮台风早就把孩子放回来了。台风肆虐，黄旭华和严保国一众人连忙去找黄燕妮和严海霞。雨越下越大，最后大家在海边礁石发现了已经晕倒的两个孩子，又急忙把他们送到了医院。两个孩子被送进了抢救室，结果出来了，严海霞没事了，可黄燕妮还没脱离危险期。李世英听到这个结果哭得稀里哗啦，埋怨黄旭华不该把她带到这个小岛上受苦，一瞬间的情绪崩溃无处发泄。黄旭华看着李世英哭闹有种深深的无力感，攥紧的拳头还滴着雨水。
黄燕妮迟迟没有醒，黄旭华不断在她床边认错说对不起她，默默地把那个缝好的布娃娃放在她身边，陪了她整整一夜。次日一早，黄燕妮醒了过来，黄旭华欣喜不已，抱着她亲了又亲。来送饭的李世英看见这一幕，流下了心酸的泪水。黄旭华拿着鸡蛋让俞连长把它吃了，俞连长连连拒绝，说他们科研人员要补充脑力，鸡蛋是他们该吃的东西。黄旭华拿口琴威胁他，俞连长才吃了一个，黄旭华把剩下的也都塞给了他。俞连长指着大海问他，咱们的核潜艇以后也停在这儿吗？俞连长很佩服他们这些科研人员，说以后也要让儿子像他们这样。
刮风下雨又停电了，俞连长向黄旭华保证过绝不能耽误研究，冒雨打着手电去抢修，结果触电倒地，被急匆匆地送到了医院，却没能抢救回来，为科研人员抢修的俞连长沉重的牺牲了。1988年。黄旭华从梦中惊醒，他年纪已经大了，李世英也是，二人一起经历了许多大风大浪，李世英明白，黄旭华是想跟着他们一起下水的。黄旭华母亲已经许久没有见过他了，她身体已经不太好了，却还不愿意打扰黄旭华，他在保密单位工作，就一定是在做大事。
南海某潜艇基地，黄旭华和赵达生等人依然坚守在工作岗位。俞连长的儿子俞庆文参军了，做了海军，黄旭华和严保国偶然通过口琴认识他的。俞庆文想要替俞连长圆满，他想申请参与核潜艇实验。这帮孩子们去拍照了，严保国叹了口气说，他们是在给自己拍遗照。下海是有危险的，大家都抱着万死不辞的牺牲精神，而这也在无形中给科研人员增加了压力。
马上就要进行极限深潜了，黄旭华让俞庆文带头唱一唱，还特地开了一个谈话会。即将执行任务的海军有很多人都写了遗书，黄旭华叫俞庆文起来读一读，有人写给了母亲，有人写给了妻子，有人写给了弟弟……写给父母家人的信中，句句抱着必死的决心，已经做好了为祖国献身的准备。黄旭华却告诉大家，他是要大家把数据拿回来，作为总师他有足够的信心，能够把大家安全的带到海上，就能把他们安全的带回来。黄旭华还宣布，他将和大家一起下潜。
严保国理解黄旭华的心情，但不同意他这么冲动，全球都没有这样的案例，作为总设计师怎么能跟着一起下潜做实验。严保国想和黄旭华一起下潜，黄旭华却不同意，他掌握着一直以来的数据，万一出了事至少还有严保国总结经验教训。严保国叹了口气，二人杠了一辈子，现在看来还是杠不过他。黄旭华则始终记得严保国说的一句话，我们的目标是大海深处！
南海。核潜艇持续下潜，严保国与赵达生等人也在焦急等待。李世英手里拿着当初和黄旭华结婚的照片，一整天都是不安的。小睡一会儿后的李世英突然惊醒，一言不发地往家门外走，黄海妮见她跟丢了魂儿一样连忙追出来。李世英先是说要去黄旭华单位，走错了方向，走一半又魂不守舍地返回了。
情况不容乐观，但大家相信有黄旭华在，一定没问题。李世英突然接到了电话，接着急急忙忙就要走。已经超过了预定上浮时间却仍不见踪影，严保国等人有些着急。静谧的海洋深处，核潜艇在黄旭华的指挥下持续下潜，所有人都捏了一把汗，黄旭华的额头被汗水洗礼。李世英去到首长办公室，沉重的接起了那个不知什么消息的电话。核潜艇浮到海面上那一刻所有人都松了一口气，我们成功了！接起电话的李世英得知黄旭华平安无事，终于忍不住放声哭了起来，这其中的担忧、欣喜，只有她自己明白。走出办公室的时候，李世英的脚步放快了许多。
黄旭华成功了，他看着我们的国旗，心中感慨万分，从研发核潜艇到成功的这一刻，经历了太多心酸痛苦，而这一刻，不管吃多少苦都是值得的。1995年，母亲病重，黄旭华和李世英赶回汕尾老家，他已经有许多年没有回来，母亲再见到他头发白了，人也肥了。母亲伸出手想拉住李世英的手，那只手却在半空中停下重重地垂了下去，母亲走了。站在一望无际的海洋边，黄旭华说，他是一个很幸运的人。
2018年，青岛，海军博物馆。黄旭华已经九十二岁了，李世英也头发花白。二人一起参观了他穷尽一生心血的成果，像黄旭华说的，他这一生和它在一起的时间比李世英都长。李世英拿出手机，帮黄旭华与核潜艇拍下了一张合影。