黄凯华因前妻的事情向江水宁道歉，江水宁却微笑着和他规划起未来的生活，还把自己的户口本交给了黄凯华。钟心和另一位罗布泊选出的同志一起竞争起爆员，钟心的心态更加平稳光荣地获得了点亮596的任务。黄凯华和江水宁领证后开始在西部基地生活，江水宁对一切充满好奇。君怡在走之前就和江水宁交代了作为科学家的妻子会承担很多不为人知的辛苦，而且可能一辈子都不知道他在研究什么，但最美好的是科学家都很单纯，和这样的人生活在一起会很幸福。
戈壁滩上酝酿着一场黑风暴，钟心为了追回资料向戈壁深处跑去，陶志纲匆忙去找，风暴越来越大其他人不得不紧急避险，茫茫戈壁寻找钟心也变得困难，钟心一边要要保护文件资料一边要抵挡风沙却不小心陷入沙里无法逃脱。陶志纲着急寻找钟心汽车搁浅不得不徒步救援钟心，但也因此负伤，陶志纲把护目镜和方向都交给了钟心自己却因为负伤无法移动，只得训斥钟心将其赶走，自己一个人直面死亡，哪知钟心看见撞翻的吉普车知道陶志纲受伤返回找他，钟心带不走陶志纲自己也不肯走，危难中两个人终于向对方表白心意，钟心答应了陶志纲要娶自己的请求，中子源和铀球虽然不能在一起但是只要在一起就会发出最耀眼的光。两人相拥一起面对黑风暴。
彩兰遇见黄凯华和江水宁祝贺二位，婚礼不着急办等大多数同志们回来了一起办。彩兰怀孕四个月被江水宁一眼看出来了，江水宁似乎很关心基地同志们在干些什么时刻会忘记保密条例，但是黄凯华始终没有透露。黑风暴过去钟心和陶志纲都还活着，钟心将树枝和皮带固定住陶志纲受伤的腿，两人互相搀扶着踉踉跄跄地走回基地。彩兰帮着黄凯华、江水宁布置新房，还凑了一些粮票祝贺两人结婚，又添置了很多生活用品，这些作为让江水宁很是感动，但是江水宁的表情有些奇怪似乎在担心什么。
核爆零时越来越近，就怕一些普通的牧民会闯入核爆试验区。王怀民申请乘坐飞机进去蘑菇云内采集数据，因为奉献过大傅首长表示上级还在研究中。王明山带领的狩猎小分队在巡查过程中居然遇见了一批持枪的特务，双方交战，王明山下令要缩小包围尽量活捉，成功抓获特务但是王明山腿部负伤却忽略不治，因为是贯穿伤抗生素用的不多随时都有生命危险，但是这条长路已经行走了半年王明山想完成剩下的道路。
大家再次集中讨论596爆炸当天的所有情况，同时通报了狩猎队的情况，经过对被抓人员的审问得知他们是国民党留下的人员，他们已经在沙漠行动了十五年，从最初的两百人到现在为数不多的几人，而且已经排除了他们与台湾方面联系的可能。保卫部分由陶志纲进行汇报，经过三天的联合排查未发现可疑人员。对于596爆破当天的更多情况只能尽量做到最好。夕阳西下，钟心、陶志纲、王怀民、杨佳蓉和彭雄飞哼着歌，大海和方小云跳着舞，每个人都在期待着核爆零时的到来。
王明山向大家宣布狩猎小分队圆满完成任务顺利归队，就在核爆要炸响的那一刻王明山终于安心倒下。核爆零时当天，原子弹在重兵护卫之下，每一个原子弹事业的工作人员的注目之下，596被推出仓库，缓缓升上爆塔顶端。技术人员小心将596进行安装，方明将军也将此事秘密汇报至周总理。罗布泊突然出现大风天气，塔台爆室晃动，好在是在可控范围之内，准备工作已经结束，技术人员安全返回。
王怀民单独找到傅首长，申请参加回收地面核测试数据的任务，即使这是个九死一生的任务王怀民还是坚持上阵，托付傅首长交给杨佳蓉一封信。他不知道，此时杨佳蓉正在为进入蘑菇云采样做准备，每一个坐上飞机准备采集数据的同志都给家人留下了信件，只有杨佳蓉默默摸着王怀民给的胸针。经过全国各大气象专家的联合分析终于确定核爆当天的天气良好，核爆按原计划进行。大家既焦急又期待，随着发令员的口令，起爆员钟心摁下按钮，蘑菇云腾空而起，照耀出的万丈光芒和释放的能量足以摧毁一切。
蘑菇云从炸开到缓慢消散，数据收集的同志们及时赶到核爆钟心冒着生命危险收集一手资料。外围采集的数据传回总部显示并不乐观，因为核爆磁场影响较大所以最准确核心详细的数据还需要在核爆内部进行数据采集的同志传回。杨佳蓉和王怀民一个在地面，一个在空中紧急采集数据，靶场中，王怀民发觉数据仪器少了一个，独自冲回爆心区域，找回最后一个仪器。而杨佳蓉的空中采集已经完毕顺利返航。在洗消的过程中，王怀民突然开始呕吐。为了其他同志的安全必须将其隔离。
数据很快传回指挥室，经过数据分析员们紧张的测算，结果出来了。钟培林郑重而缓慢地宣布：这一刻我们等得艰难而缓慢，但是这次爆炸的原子弹释放当量超过美军在广岛投放的原子弹当量，所以这是一次成功的核爆炸！大家欢呼雀跃，方明将军将情况告知总理。大家都沉浸在核爆成功当中，1964年10月16日，历经千辛万苦我们终于永远了自主研发的原子弹。毛主席也无法再隐瞒此激动小心让周总理提前公布，全国各族人民都为原子弹的成功欢呼雀跃。西部基地也得到消息，打算好好庆祝。杨佳蓉的检查结果显示无辐射影响，而牛玲告诉王怀民的父亲王明山的情况不容乐观，但当他听到广播中播报原子弹成功爆炸的消息时，嘴角却是掩盖不住的笑意，美国的中国悲观论调恰恰从侧面证实了中国核爆的真实性。
杨佳蓉去看望王明山，王明山认识杨佳蓉问起王怀民的情况，杨佳蓉安慰王明山王怀民只是因为工作辛苦要好好休息，而王怀民恰是中国核武器研制的中坚力量，王明山骄傲但也知自己时日不多交代杨佳蓉许多王怀民的事情。王怀民的检查报告送往北京继续验证，为防止其成为辐射源不得不继续隔离。现在陶志纲一召唤钟心就跟着一起，钟教授也不再阻拦。由于保密性的要求所以表彰原子弹突出科学家和技术工人无法公开身份领奖，他们必须继续隐姓埋名为国家奉献自己。方小云再无理由继续留下第二天就要离开基地去北京学习，大海明白了信仰的伟大人的渺小，支持方小云去上大学，四年后两人会用跟好的自己面对面，方小云和大海许诺毕业就结婚。
陶志纲也向钟教授表明自己对钟心的满满爱意，请求钟教授同意两人回到西部基地立刻结婚结成革命伴侣，钟教授仍然不能接受，他介意的还是两人文化水平的差距，陶志纲将自己从钟心处学习到的很多知识向钟教授汇报，但是钟教授还是坚持两人无法达成精神境界的沟通，且现在也不是钟心结婚的最好时候，一旦结婚有了孩子又如何去追求科学的梦想，陶志纲根本无法和钟心志同道合感同身受，钟心生气离开，陶志纲也表示自己不会放弃。王怀民终于拿到了自己的检查结果，离开隔离病房，他赶到父亲的病房，但还是晚了一步，王明山光荣牺牲，王怀民在父亲耳边私语一家人就快要在天上团聚了。
纪念为原子弹事业牺牲同志的墓碑群中又多了一具英雄的尸体，人民和国家永不会忘记英雄的付出。自从拿到体检结果，王怀民就开始躲着杨佳蓉，彭雄飞为王怀民打掩护之后质问其为何转变态度，王怀民咳嗽不止没人知道他的情况。傅首长也问牛玲王怀民的情况如何，本来要转交给杨佳蓉的信被要了回去，其实王怀民的报告显示其未来可能会患上白血病，王怀民不想自己继续连累杨佳蓉，只想把剩余的时间留给研究，牛玲也只好帮他隐瞒。黄凯华和江水宁的婚宴就要举办了，江水宁有些一反常态。
回到西部基地，众人参加黄凯华和江水宁的婚礼。既是为了庆祝婚礼又为了原子弹首爆成功，大家都热热闹闹开开心心地开玩笑。江水宁似乎心里负担很重在回答大家伙的问题时也表现的不太自然，至于两人的恋爱问题还是陶志纲比较有发言权，陶志纲上台讲述之前还特意关心钟心，然后就叭叭地讲述了人家的爱情故事。等他下台之后和钟心的事情被问起时，还是一脸的沮丧，因为钟教授的不赞同婚礼也是没那么快。
大家的话题又转移到了杨佳蓉和王怀民的身上，但是王怀民因为自己的身体根本就没有出现在婚宴上而是继续研究，杨佳蓉只好将话题再次转移回婚礼的主角身上，王怀民现在已经会时不时流鼻血了，杨佳蓉去找他时已经发现血迹也猜到了王怀民的情况，王怀民为避开杨佳蓉躲在实验室的角落里，鼻子流出的血已经染红手帕。即使看见杨佳蓉留下的见面字条也只有伤心的资格。黄凯华和江水宁匆忙赶往基地门口迎接江水宁的舅舅，然而基地出于保密需求，没有允许舅舅进入。舅舅交代黄凯华还讲起了江水宁的艰难前半生留下了眼泪，黄凯华更是承诺会对江水宁好。
钟心和陶志纲商量如何度过钟教授这一关，但凡结婚就是要通过基地党组织同意，有钟教授在就是一大阻拦，陶志纲突然拉着钟心的手承诺自己一定会向钟教授证明有能力配上钟心，如果钟教授再不同意那就来硬的，钟心被陶志纲的话语感动。建国竟然和振理说自己的后妈江水宁是特务还要找出证据证明。婚礼彻底举办完成，江水宁和黄凯华的话中始终有话，只是醉酒的黄凯华根本没有听出。
县城饭店，黄凯华、江水宁和舅舅三人一起吃饭，舅舅话中也打听黄凯华工作单位的情况，在闲聊中黄凯华就要暴露基地一些情况幸亏及时止住。趁着黄凯华去书店，舅舅瞬间换了一副面孔，原来他的真实身份是国民党特务“老康”，江水宁竟是潜伏已久的特务“古扇”。老康怀疑江水宁假戏真做，并提醒其不要忘记自己的任务和特务行铁律：谁要是出现真感情那就是提前进入坟墓，在他的提醒下江水宁恍惚答应。
傅首长和钟教授向大家传达了毛主席的重要指示：中国第一颗氢弹叫639，三年内一定要让首颗氢弹爆炸成功。不论是什么弹，我们就是要超过别国。氢弹的研究难度巨大，国际上没有任何关于氢弹的理论知识，，在三年之内仅知道氢弹、聚变四个字怎么可能研究氢弹，大家都提出质疑又沉默，即使是研究困难很大，大家依然为新任务感到振奋。钟心发觉氢弹研究人员没有自己，钟教授先是告知钟心我国确实确实导弹来结合原子弹进行投送，而钟心就是要进入到两弹结合研究小组。钟教授承认自己在陶志纲问题上有些着急还是希望钟心多多考虑与陶志纲的关系，钟心坚持自己的选择。
石红英还是关系钟教授身体，这一切都被钟心看在眼里。杨佳蓉本想找牛玲问王怀民的情况，但是牛玲害怕自己说露嘴也避开杨佳蓉。王怀民知道无法成功隐瞒杨佳蓉自己的病情，只好给杨佳蓉留了一封信，请求其放下两人之间的感情，将剩余时间留给研究。王怀民如期赴约与杨佳蓉见面，把自己写好的信件递给杨佳蓉，就算已经知道王怀民的情况，杨佳蓉仍然愿意与王怀民共同承担未来，但王怀民拒绝了她。氢弹专家小组碰面开展会议讨论氢弹的初步情况。