大家开心地庆祝已经成功爆炸一颗小型氢弹，完全可以在法国之前爆炸一颗名副其实的氢弹，让太阳的光芒闪耀中国的大地。由于江水宁的身份问题，黄凯华已经无法再参与研究工作。氢弹试爆当天，王怀民将黄凯华的名字一并写在工作证上。正在大家等着飞机投放639的时候却突然出现意外，好在备飞预案启动，在周总理亲自安排下聂荣臻亲临现场指挥，中国爆炸了一颗成功的完全属于自己的氢弹，我国的氢弹研究时间比世界上任何一个国家都要短，而这得到了国际的认可进入世界核武器先进国家行列。
一场集体婚礼在基地食堂举行，王怀民和杨佳蓉、陶志纲和钟心在同一天结婚。大家伙高兴，由傅首长代表讲话，这一路的风风雨雨幸福来之不易。陶志纲在台上大讲自己和钟心的恋爱过程，又许下一辈子的承诺。这个时候，公安人员悄悄控制了礼堂，他们告知王怀民，在北京抓获的一名特务原名姓杨，确实为杨佳蓉的二叔，而在他留下的书信中有杨佳蓉明确的通敌证据，将被逮捕。王怀民不顾个人的政治前途坚持举行完婚礼，向大家诉说杨佳蓉的故事，自己爱上杨佳蓉的历程，杨佳蓉一步步成为自己信仰的引领者和最忠实的伴侣。在傅首长的劝说下，公安人员同意等到婚礼结束。
婚礼结束后杨佳蓉就被押走，好不容易有家的振理眼睁睁看着杨佳蓉离开。陶志纲和傅首长还有王怀民都在拼尽全力救杨佳蓉。黄凯华撇清了特务嫌疑，但是因为过错巨大不能参与接下来的研究也不能离开基地，彭雄飞责怪黄凯华结婚太过冲动害了自己和杨佳蓉，黄凯华失落赔罪，正要离开时钟培林告诉大家自己要去北京出差，带着核材料去中央面见领导顺便帮杨佳蓉和黄凯华求情。
大家好奇钟教授到底是怎么的留美大人物，原子弹和氢弹已经成功爆炸，钟教授终于可以向大家透露自己到底是谁，钟心介绍钟教授就是国际著名的物理学家，如果没有放弃原有的研究方向归国可能早就获得诺贝尔奖了，大家都对他敬佩不已，接着跟大家聊起未来核能战略方向的问题。钟教授和女儿告别，他还欠陶志纲一个道歉约定回来之后再说出。可是谁也没想到，钟教授乘坐的飞机在北京郊外遭遇雷暴天气失事，钟教授遗体被发现时他与警卫员紧紧拥抱在一起保护了他珍贵重要的文件数据。钟心强忍住悲伤告诉了整个基地的同志，钟培林为了国家隐姓埋名，他的信仰、爱、忠诚会在每个同志的心里留下烙印，永垂不朽。
1972年，黄凯华因江水宁事件，只能在基地做清洁工，而儿子建国也已经不认他了。因为基地之外的政治气候严峻，王怀民仍然毫无杨佳蓉的音信。革委会主任曹芒打算任命彭雄飞成为院长助理，且明确告诉彭雄飞王怀民这样只专不红的科学家不可能再有出头之日，又进一步鼓动彭雄飞紧紧地团结在革委会周围，这样才能在科学史上留下名字。在大会上，曹芒宣布彭雄飞成为院长助理。钟心因为第二次先兆性流产去省城看病，但是被曹芒点名批评。钟心的身体可能不可以再怀上孩子了。
王怀民在会上提出要搞民用核电研究，把一系列被打倒的曾经参与过两弹的同志重新启用，但是曹芒完全不认同启用那些有过黑历史的同志，并且他的思想是拥有了核武器就可以战胜压过美苏，王怀民的观点与曹芒完全相反，彭雄飞似乎也站在了革委会一边。在和曹芒针锋相对之后，革委会中的人提出王怀民是要搞反动清算要和人民作对，王怀民成为批判对象。常玉婷成为彭雄飞的学术助理，奉曹芒的命令却一直在监视彭雄飞。
陶志纲被打倒下放到收发室工作，因为陶志纲当面顶撞曹芒为科学家们说话，所以被曹芒鼓动的反革命打伤接着又报复其下放。王怀民从石红英处得到了杨佳蓉在兰州一个农场的消息，他不顾路途颠簸，终于和杨佳蓉再次相见。杨佳蓉对王怀民说自己虽然已经撇清了特务嫌疑只是二叔去世很多事情说不清楚，他们也不放杨佳蓉离开，这两年里两人都互相给对方写信，可是两人都从未收到过对方的来信，虽然见面的时间很短，但二人十分珍惜在一起的每分每秒。
彭雄飞上下班都有常玉婷跟踪，基地里，黄凯华叫住了彭雄飞，并递给了彭雄飞一份研究报告，这是黄凯华在业余时间做的关于民用核电技术的研究。因为资料室和图书馆，黄凯华都无法进入，但是他克服了那么多难关还能写出如此深入的科学研究，黄凯华只是想通过自己的努力再为国家做点事，彭雄飞回想着革委会上曹芒他们对王怀民、陶志纲的针对，很多事情他也无能为力，彭雄飞承诺一定会把材料递交至学术委员会，也一定会帮大家平反。别人都说彭雄飞当官之后就变了，可是黄凯华不相信，彭雄飞坐上这个位子不是为了自己，也是有很多理想要去实现的。
钟心被拉去集中批斗会，他们被拒绝参加学术会议，彭雄飞替他们说话也被曹芒以反革命反驳，这让一个好好的学术研讨会人员参差不齐。彭雄飞要在会上分发黄凯华的学术报告进行讨论，可是得知常玉婷却表示自己无法分发。王怀民依依不舍地离开兰州农场离开杨佳蓉，杨佳蓉在书中给王怀民留下一段鼓励其继续研究民用核电的话语让王怀民倍感珍惜。黄凯华在打扫卫生时发现自己的研究报告被扔在垃圾桶内以为彭雄飞违背承诺，失望伤心无力的情绪涌上心头。原来是常玉婷自作主张丢弃了黄凯华的报告，彭雄飞无法为朋友和核电事业作出努力，他深感茫然无力。
陆大海申请调回北京可以和方小云结婚，可是联系方小云时却被无情的拒绝。黄凯华去监狱看望江水宁，江水宁拒绝与黄凯华进行探视，因为和自己的关系已经把黄凯华影响得够深了，黄凯华多年来也只要一个答案，江水宁有没有真的爱过自己，江水宁说出了自己的真实感受，即使一开始是因为特务任务接近黄凯华，但是在慢慢的相处中敬佩爱慕黄凯华，在集体中感受到家人的温暖，自己也常常幻想可以不做特务就平静幸福地在这样的日子中生活下去，但是现实击碎了她的幻想。黄凯华也要隐瞒自己的处境，但是江水宁从他的衣着细节中发觉其处境的艰难。
工厂仓库外，失魂落魄的陆大海遇到了正在吃力整理箱子的方小云，这才知道方小云是因为父亲被人污蔑成走资派而打倒，怕连累陆大海才提出分手，陆大海不管方小云是什么自己都会保护她。与黄凯华见完面之后，为了能让黄凯华不再受自己牵连，江水宁在监狱自尽，留下一封信件交与黄凯华，信中表达了对黄凯华满满的歉意和真真切切的爱，希望黄凯华迎着阳光、坚持自己的研究带着自己的期望好好活下去，黄凯华回忆起二人曾经相处的美好时光失声痛哭。
王怀民回基地时看见陶志纲在钟心的指导下练习英语，两人都急切地想要知道杨佳蓉的近况，恰好碰见振理跟着一群反革命不懂事理的孩子，王怀民把杨佳蓉送给振理的鞋子、书和信交给振理，振理已经完全脱离学校他被误导想要靠拳头打出一片天地，王怀民不希望看到这样一个振理，他慢慢地平静地给振理讲解道理，这个世界的规则一直在变只有未来是掌握在振理自己手里的，就像振理的“小羊妈妈”一路走来遇见过多少磨难但是从未放弃过自己，振理被感化渐渐意识到自己的问题。常玉婷给彭雄飞收拾书桌的时候随便翻动其资料，彭雄飞根本不在乎当官，只是想好好科研。
杨佳蓉彻底没事就基地上班了，钟心终于怀上了宝宝而且已经四个月了，她总是担心宝宝不够健康，杨佳蓉帮她诊断孩子很健康，王怀民得到她回来的消息着急地赶去见面，但是方小云突然跑出来大喊着火，车间电路老化造成的，但是车间着火不是小问题因为存有铀球毛球，一旦爆炸就会造成核辐射扩散影响到整个基地的同志。王怀民和陶志纲分别穿上防化服去寻找铀球。杨佳蓉赶到车间要求进入帮助一起寻找铀球，可是被工作人员阻拦在外。
王怀民带着铀球走出车间，杨佳蓉不顾辐射抱住了王怀民，幸亏全面检测过后王怀民由于吸入辐射时间不长没有大碍，倒是让陶志纲和钟心好一通担心。巴图已经成为连长开心地回基地找陶志纲报道，傅首长安排巴图回到基地全面接收基地保卫安全，这是巴图放弃了去北京警卫任职的机会换来的，巴图为了完成父亲老格勒的心愿保护科学家们。巴图开始了和曹芒等人的斗争，傅首长带着巴图的部队进入团团围住了曹芒等人，直接训斥曹芒不顾西部军事基地的安全守则调走所有工作人员，此事已经传至中央由病榻上的周总理亲自下令调查所有涉事人员，曹芒是绝对无法逃脱的，曹芒面对傅首长依然嘴硬，他根本做不到为了国家和人民牺牲自己，在他心里毫无信仰必须接受审查回炉重造。
转眼到了1977年，振理和建国参加高考逃跑被陶志纲压着去考场，佳蓉则和钟心一起去参加会议，钟心要做中子弹研究，而佳蓉却是做中子弹防护，俩人讨论彼此的研究要比翼双飞。黄凯华正在做研究，这时华东所的总工赶到，黄凯华看到来人震惊。傅首长叫来王怀民，原来傅首长要离休回北京了，傅首长告诉王怀民国家正在拨乱反正，问王怀民有没有什么要跟上级说的，王怀民表示自己希望国家给他们核电事业给与更大的支持，傅首长很明确地告知王怀民国家现在正要搞现代化建设，全力发展经济，核电建设指日可待。王怀民同时希望傅首长在明年的全国科学大会上为各位女科学家多申请些名额，傅首长同意。
彩兰钟心和佳蓉一起包饺子，彩兰叫雄飞剥蒜，雄飞因为跟炸弹打了半辈子交道，耳朵很不好根本听不到，大家调侃雄飞。这时怀民和傅首长也一起来，傅首长也要参加包饺子，大家正开心的时候想起黄凯华怎么还不来，正念叨着黄凯华刚好过来，还带来一个人，原来是丁向军，他这次来就是来发展核电工业的，丁向军告诉大家，自己以前就是想做惊天动地的事，但不想做隐姓埋名的人，自己当初看错了很多的人和事，还差点让国家的核事业遭受损失，但自己终于又回到这里，自己太高兴了。王怀民感叹他们四大才子终于聚齐了，傅首长告诉大家当初离开的叶昆明也一直在做检讨希望能回到核事业中的大家庭中，已经被批准。
陶志纲举杯告诉大家第一杯酒就敬给成格勒和钟教授，大家开怀一起唱歌。彩兰问佳蓉王怀民的病怎么样了，佳蓉难过的说怀民一直觉得浪费太多时间，要努力把工作赶上。彩兰嘱咐佳蓉一定要领王怀民去医院看看，石大夫告诉佳蓉王怀民的时间最多只有半年了，佳蓉很是难受伤感，石大夫让佳蓉劝劝怀民，早点接受治疗好好休息，佳蓉告诉石大夫他不可能好好休息的，他要把所有精力献给中国的核事业。
病榻之上，王怀民还是在坚持工作，佳蓉默默的陪伴他。王怀民为佳蓉做了一套新衣服，原来佳蓉明天要去参加颁奖大会，佳蓉让王怀民帮自己戴上当初他为自己做的蝴蝶胸针，王怀民直夸好看和佳蓉一起拍照留念。1999年佳蓉到夫妻树下告诉怀民他们现在都很好，盛世如他所愿。