50年代初期，新生的中国一直被核恐吓的阴云笼罩，在朝鲜战争以及台海战争中美国不止一次利用核武器威胁中国，就是在这样的背景下中国开始了研究核武器这样一个伟大而又艰巨的征程。受数学教华罗庚归国前和同学们留下的话语感召，留美钟培林教授要带着自己的学术成果回到疑难多多的祖国，为祖国献出自己的力量，但是女儿钟心劝说父亲不要着急回国，可以等自己的学术结果完成之后再考虑，但是钟教授心意已决，科学没有国界但是科学家有国界，新生的祖国还需要更多科学家去建设，祖国才是中国人的根。
钟教授秘密与一些留美的教授见面，其中就有一直被监视好不容易摆脱的林教授，大家正在商量如何离开美国回到祖国的怀抱，美国警方就上门来逮捕林教授，大家匆忙离开，林教授只交代了钟教授找到方明就能营救自己回国，送走了大家林教授独自一人面对美国警察。王怀民和何吟薇是一对留学苏联研究物理学的夫妻，苏联为留住在物理学研究有突出研究能力的两位，提出让何吟薇还在肚中的孩子以苏联国籍和最好的教育，同时让两人立刻加入国家科学研究院。以黄凯华为首的其他同学要离开苏联回去支援祖国，大家都有些瞧不起要留下的王怀民夫妇，愤而离开了。
钟教授等面对美国海关层层审查，女儿钟心早已和移民局打好关系加入到今天的检查翻译工作，为父亲翻译掩盖林教授留下的字条，使父亲顺利通过，和父亲分别时承诺祖国见，父女两依依不舍。这些深居海外的中国科学家响应祖国号召，放弃了比较完善的科研环境义无反顾地回到祖国。这其中也包括了王怀民夫妇，他们最终放弃了苏联开出的优渥条件坐上了回国的列车。同学们都好奇王怀民和何吟薇为何决定回国，王怀民将深藏在画中的科研数据亮给同学们看，同学们都很激动。
王怀民要继续将其余油画上的数据展示，准备蒸馏出更多的酒精去擦拭颜料显露数据，却被中国解放军陶志纲出手制止，他以为这些归国的科学家只是不学无术浪费粮食的文人，与众人一番争执还是拿走了酒。但其是从朝鲜战场上下来的解放军，战争的阴影还深深地影响着他。一下火车就有老战友接待，并着当地第五医院的护士和杨佳蓉准备接其去医院进行治疗，但是陶志纲坚称自己病已经痊愈不用去医院，但在杨佳蓉一番劝说之下乖乖地去往医院。
一路尾随王怀民和何吟薇的特务在下车时伺机抢夺箱子里的资料，特务将何吟薇推到夺走箱子，王怀民在何吟薇的催促下拼命追着箱子，陶志纲出手帮忙追击特务。被特务推倒的何吟薇遭遇早产加难产，杨佳蓉一直在旁帮助。特务一直在逃窜，手中还有武器用来伤人，在窜上正在行进的火车时被陶志纲用枪击中，箱子被夺回但是王怀民被撞击后脑勺晕过去了。等他再醒来时与妻子何吟薇已是天人永隔，生下的男孩一出生就失去母亲。何吟薇临终前再三拜托杨佳蓉要替自己照顾孩子，杨佳蓉为自己没能挽回一条人命而痛哭答应。
王怀民没能从失去妻子的痛苦中走出，他质问杨佳蓉为何没有基本的医疗常识救活一条活生生的人命，但是杨佳蓉作为一名护士对于产妇大出血的情况也无能为力，陶志纲训斥王怀民为何要将所有的错怪罪在一个小姑娘身上，。王怀民没有照顾儿子，而是不断地给妻子何吟薇写信，表示失去妻子的自己唯有努力工作才能忘记痛苦，以自己一人之躯担负起两个人的理想，幸好儿子振理还有杨佳蓉帮忙照顾，否则他更加手足无措。陶志纲在观看战斗影片时始终无法忘记战场上战友对自己的一声声呼喊。
陶志纲看的原来是美国投放原子弹的视频，而美国人时刻用原子弹在要挟中国，傅首长告知我们中国人自己也要搞一个原子弹，陶志纲不敢相信他认为原子弹没那么容易制造成功，而傅首长强调共产党人就是从什么都没有和不会到现在建立新中国，所以原子弹也不是不可能成功的，至于陶志纲的任务就是保护研究原子能的科学家们，他必须要脱掉军装潜伏保护，为了祖国不再受美国要挟，成为强大的军事国家陶志纲毅然脱下军装接受任务。
钟教授回国和研究所的老孟说起国内的科研条件与美国比对确实落后了一个世纪，但有这些归国的科学家的共同努力未来一定能赶超，至于林教授已经被成功营救不日就将回到国内。王怀民在小摊上和小贩商量着买放大镜和干涉滤光片，钟教授对干涉滤光片也很有兴趣，就在王怀民和商贩交谈中被钟教授抢了先。钟教授带着宝贝找到方明将军，方将军告诉钟教授国家现在有一件大事需要他，但是他一旦接受的话就意味着在以后的若干年里要隐姓埋名消失在世界学术领域，要改变自己的研究方向，不能获取最新的学术的成果，不能成为顶级的科学家不能实现自己的科学理想，面对这些条件，钟教授沉思片刻，坚定地回答自己愿意，愿意以身许国，方将军和傅首长都很是激动，为了国家钟教授甚至改名为钟爱国。
陶志纲接受任务为研究所A所筛选审查工作人员，A所人员审查严格很多人都被拒之门外。王怀民也来应征，他知道A所就是研究原子能的机构，他表示自己在苏联留学是研究原子能物理的专家，自己了解很多关于原子能的情况，美国的核威胁加剧中国必须尽快有自己的原子能研究机构。王怀民一心想要进入机构，他的身家阶级都很清白，父亲是驻朝英雄部队的军人，哥哥在解放战争中牺牲，陶志纲决定把王怀民的情况上报领导。
A机构召集了更多从各地名牌理工大学的毕业生前来报道，黄凯华抱着自己的孩子在大门处等待，还有从北航毕业的雷达专家丁向军和哈工大毕业的彭雄飞都应召加入，他们和许许多多受到召集的毕业生们闲聊，他们并不知道这个机构是做何方向的，但是必然事关国家机密，大家都有些兴奋。王怀民为争取进入机构拦截钟教授的车辆毛遂自荐，王怀民在中科院发表的论文钟教授都看过，他在原子能方面的研究成就钟教授很是欣赏，但是陶志纲怀抱对于王怀民的偏见阻挠其进入机构，无论钟教授如何据理力争都被其拒绝。
黄凯华因为老婆离开无音讯所以只能带着孩子去应征，在召开会议之前又把孩子寄放在医院里，对于无人看管的孩子十分为难。王怀民收到父亲的来信，母亲已经去世但是父亲依然在朝鲜继续任务无法回国，王父劝王怀民另娶良配照顾他和孩子的生活。加入A所的科学家们在陶志纲的带领下宣誓，严格遵守保密制度，承担保密国家机密安全的重要任务。宣誓完毕，钟教授拿出一块铀矿石展示给大家看，它具有核反应，在座的各位见到铀矿石都很激动，钟教授向大家交底，A所就是原子能研究机构，机构的研究方向就是原子弹，研究出属于中国自己的原子弹，为了祖国的强大和世界的和平与发展，这将是这个时代最伟大的工程，在座的各位科学家为此将奉献自己的青春。
王怀民回到家中，杨佳蓉正带着小振理照顾小兔子，振理对于杨佳蓉的依赖非常深，王怀民也十分放心地将振理交给杨佳蓉照顾。历经几年钟心终于回国，钟教授很开心女儿回到国内，父女两终于团圆，可以一起为国奉献。王怀民考虑再三决定自己来照顾振理，但是王怀民没日没夜研究、振理周末不用上幼儿园、振理生气耍脾气的时候，王怀民都无法很好地照顾好他，所以杨佳蓉根本没法放心，她不怕人家说闲话愿意照顾振理，除非王怀民愿意再婚，但这条已然行不通，所以还是由杨佳蓉来照顾。在中国核工业的研究过程中有很多苏联的科学家援助，帮助中国核工业走上起步阶段，但面对苏联专家的学术交流我国的科学家还是稍显不足。王怀民去找杨佳蓉时才知道她已经离开原来工作的医院。
王怀民在医院同事的带领下在北京一处防疫站找到杨佳蓉，只是远远地看着未近身，同事告诉王怀民杨佳蓉为何要申请调离工作的原因是医院有谣言说杨佳蓉暗恋王怀民才故意害死何吟薇，杨佳蓉这么多年以来无怨无悔无名无分地做着振理的假妈妈，而且她不愿意王怀民知道这些，因为这么多年以来杨佳蓉一直活在自责当中。王怀民很感动杨佳蓉为自己所做的一切，决心不能再这样耽误杨佳蓉。
钟教授和A所的领导与苏联专家见面表示有苏联的帮助加上国内科学家的共同努力，中国的第一颗原子弹一定能很快爆炸成功，苏联专家却预判需要十年，美国曼哈顿计划投入很多人力物力也花了三年，苏联举全国之力也花费了五年，考虑到中国的综合国力十年不长，苏联专家提出需要一位得到过苏联功勋院士认可的科学家王怀民，陶志纲为拒绝过王怀民感到很震惊。会后陶志纲向傅首长坦白王怀民的事情，傅首长批评并卸下了陶志纲这么久以来一直扎着的军用皮腰带让他要放下过去。王怀民顺利进入A所，但是陶志纲对王怀民偏见依然存在，王怀民借着法的讽刺陶志纲眼界不明。
王怀民进入A所就看见正在拉琴的钟心，一时想起了自己的妻子何吟薇。钟心的琴声引得大家的掌声，但也引来了陶志纲的质询并与其产生争执，钟教授赶到时向陶志纲解释钟心的情况暂时化解了矛盾。彭雄飞和黄凯华针对中西方科学文化的重要性发生辩论，二者各执己见回到宿舍却看见早早等在里面的王怀民，王怀民与大家做了个简短的介绍和说明，并在宿舍布置了各种保持安静的标语，布置完成临离开宿舍前还向彭雄飞澄清当年在苏联带领同学们争取权益的是黄凯华。
丁向军却认为王怀民是个精神不太正常的人。钟心的美国官司败诉不能在研究成果上署名，美国就是自诩民主其实充斥着种族歧视，钟心才明白没有祖国的中国人不会被外国人瞧得起。钟心正与父亲争执关于问题的假设，正巧王怀民赶到，钟心向王怀民提问改变自己的研究方向他是否愿意，王怀民比喻自己为疯子，愿意去完成一项很难完成的任务，以此说服了钟心。钟教授诚心欢迎王怀民加入A所共同为国家研制原子弹，王怀民倒是很怀疑钟教授的真实身份，钟教授一再说明自己只是个爱国者。
黄凯华从医院接回孩子小建国去见妻子，妻子君怡抱怨黄凯华完全把自己投身于机密工作而不曾体谅自己的辛苦，两人因为黄凯华的事业问题再次谈崩，君怡提出离婚决绝离开。杨佳蓉收到组织推荐入学高级医师班，她多年来的梦想就要实现了。苏联专家的第一堂课就给A所科学家提出要在半年内学会俄语并且不允许会俄语的人搞特殊化提前进入原子弹研究，这让王怀民和黄凯华很是无奈。王怀民从原来的幼儿园接走振理并送入另外的托儿所，振理已然是不认识爸爸，正巧碰见黄凯华也把建国送入托儿所，两人一番感慨。杨佳蓉找寻振理和王怀民未果很是着急。
王怀民没和其他人一起聚在一起研究而是单独制造工具。黄凯华遇见苏联专家安德烈要其为自己解释书中遇到的公式难题，但是苏联人并不想让中国人学会这样重要的原子弹制造公式。大家洗衣服闲聊的时候说起苏联专家团的团长彼得只是搞保密工作的而不是真正的物理学家，说着说着又玩笑起来。回到宿舍看见王怀民做出的一些精密仪器，彭雄飞看不上王怀民还认为他不合群，王怀民倒觉得大家都是科研人员而不是建筑工人所以不用浪费无用的时间在那些东西上面。黄凯华帮着王怀民向彭雄飞解释王怀民自从妻子去世之后背负的是两个人的科学理想所以脾气更怪。