陶志纲怀疑王怀民偷窃资料随意翻动王怀民的物品，两人起了一番争执，但属下告知陶志纲丢失文件已经找到，陶志纲没有认错还警告王怀民让拿来锻炼的自制自行车回位。陶志纲面对苏联专家递还已经找到的资料，苏联人还为陶志纲随便找人搜查驻地生气，但是陶志纲再三强调文件在苏联驻地找到苏联人自己弄丢了，这一说让彼得无话可说。陶志纲对之前搜查王怀民搞坏了他的留声机感到些许愧疚，打算赔偿王怀民留声机的钱。
黄凯华、彭雄飞和丁向军三人在宿舍闲聊，说起黄凯华和妻子的事情，因为黄凯华妻子的文化程度不高所以很难理解科研工作，彭雄飞顺势说所以自己来到A所，这样也不用太费心就可以寻得一位志同道合的女科学家，他还给所里所有的女科学家都打了分，但是自从钟心一来彭雄飞的目标就彻底转移了，三人正说得开心，都被门外准备赔钱的陶志纲听见了，陶志纲对他们随便议论女同志的行为感到很生气。第二日陶志纲向傅首长汇报的时候受到表扬就飘飘然向首长告黑状，这些科学家各有各的缺点建议全部劝退另找一批。首长严厉批评陶志纲的行为并且要求要给这些科学家一些转变自己思想的时间。
中苏双方高层就原子弹试验场的位置进行讨论，因为敦煌有很多重要文物，所以无法试验发射出超过两万吨的原子弹，傅首长已经请示过中央周总理，周总理指示放弃中央重新选址，并要苏联专家兑现赠送原子弹模型的承诺，但是苏联专家提出的严格要求，要试验场的卫生完全达到标准就兑现。大家都很高兴各自去到试验场进行认真打扫，唯有王怀民带着自己专属的小工具来了。苏联专家根本不相信中国科学家们短时间内能达到标准，但事实是中国人完全做到。安德烈不明白为何可以成功，中国人的意志没有什么做不到的。
杨佳蓉找不到振理只能选择报警，而后回家等待消息。与之对应的是A所也在焦急地等待着原子弹模型，但得到的消息是由于技术原因原子弹模型无法转交，这让大家十分失望。钟心带了很多行李到A所报道，被严格翻查，钟心的许多物品陶志纲和其他同志都完全不知道，陶志纲向钟心表示不能瞧不起在艰苦环境中奋斗的同志。钟心报道A所被邀请去男生宿舍，彭雄飞的小心思表露无疑，大家都很兴奋，只有王怀民待在宿舍外继续自己的研究。
杨佳蓉找不到振理和王怀民心里一直不踏实，朋友劝杨佳蓉放弃王怀民，人家是高级别的科学家可能进入了更加保密性高的研究机构，而且人家这么做就是不想耽误杨佳蓉，杨佳蓉都明白只是担心王怀民无法照顾好振理，她再三恳求朋友一定要帮助自己找到振理。宿舍中的聚会还在进行，钟心关心原子弹研制进度，但是大家把话题又转移到了钟心和彭雄飞的个人问题上。钟心玩笑过后顺嘴还关心了王怀民，大家都说王怀民是科学怪人。
陶志纲趁着没人打算自学物理却又学不明白，偷摸着学见有人进来又藏了起来。大家又讨论起苏联带领进度缓慢的事情，王怀民听见立刻冲进宿舍提议大家成立秘密小组自己进行理论问题的研究而不要依赖苏联人，但是黄凯华和彭雄飞反对，理论是知识的基础，先应该掌握苏联人的基础理论再在此上进行研究才不会走歪路，钟心赞成王怀民，建议分成两个小组，一个小组寻找问题反推理论，另一个小组带着问题压榨苏联专家，两个小组共同研究齐头并进。大家都赞成钟心，于是第二日就去向陶志纲提议邀请苏联专家参与欢迎舞会。
研究组和压榨组分别执行自己的任务，压榨组在钟心的带领下去找陶志纲要求召开欢迎舞会，苏联专家也找过陶志纲要求舞会且要邀请所里的女同志，但是陶志纲认为这有伤风化，但是钟心再三要求陶志纲终于同意。会场布置都由钟心操办，陶志纲负责检查会场安保，对着镭射灯以为是原子弹模型被钟心嘲笑。王怀民被迫请到舞会无事可干只得在一旁看书计算。钟心和丁向军、黄凯华等都借着舞会向苏联专家提问，但收获甚微。
王怀民在一旁和一位苏联专家因为破解数独杠上比赛，钟心邀请陶志纲跳舞不仅被拒绝海北陶志纲一通数落。黄凯华实在忍不了直接找到彼得说明中国真的很需要原子弹挺起腰板希望苏联专家能尽快进入正题。第二日苏联专家伊万的授课虽然多了学术内容，却全是照本宣科，而且与他原本的专业完全不搭架，众人十分失望。钟心询问王怀民研究组什么时候开始，原来王怀民一直在翻译的专业俄文资料，并且其中有很多重要的苏联人没有给的书籍，彭雄飞也理解了王怀民这段时间所做的努力，此时王怀民的书籍被大量印刷分发成为了大家的助力。
所里的科学家都集中在王怀民的寝室里听王怀民讲解书籍内容。钟心与王怀民谈起她以前最讨厌科学家的类型，王怀民则说科学家本就不是被人喜欢的，只是引领方向的航标。科学家属于未来却活在现在，科学家本来就是孤独的存在，如果人生伴侣恰好是研究伙伴那也是很幸运的事情，钟心有所触动，对王怀民颇有好感。两人聊得正好，钟教授突然出现说自己要有事离开段时间，希望王怀民照顾钟心，但是王怀民拒绝，钟教授认为王怀民很适合钟心。
钟教授与工程团团长王明山从敦煌出发经过玉门关进入罗布泊荒漠寻找试验场选址。任务有些艰巨，需要工程团带领保护。彭雄飞和丁向军、黄凯华和苏联专家斗酒打赌，苏联输了就要写下原子弹方程式，中国科学家输了就要天天请苏联人喝酒，但是苏联人酒量太好根本不能赢过，一个个都喝的软塌塌的被苏联人嘲笑，陶志纲将醉酒的人带回，自己留下与苏联人拼酒，比赛似乎是赢了但是还是没能拿到方程式。第二日，苏联专家开始讲授原子弹的基础构造，但为了保证苏联设计图的秘密性禁止记录和画图，还要求陶志纲监督大家，王怀民等分工合作每人记下一块区域的内容。
安德烈一讲解完毕内容就立即被擦掉，而且他还指明王怀民等私下研究搞小动作做些无用功。王怀民、黄凯华、彭雄飞和钟心虽然把大致的图样给记录下来，但是合在一起的方程式数字不对而且这只是人家的简单数据，核心数据根本没有向中国人透露。这样一来，除了钟心和彭雄飞，王怀民与黄凯华却有些失去信心。杨佳蓉终于找到了振理所在的幼儿园，面对年幼的振理，杨佳蓉很是心疼对着王怀民一通激动劝慰，杨佳蓉可以不做王怀民妻子但是可以做振理妈妈，王怀民最终同意由杨佳蓉照顾。
王怀民回到宿舍提笔给何吟薇写信，原子弹研究进展艰难，振理和杨佳蓉的事情他也需要好好考虑。钟教授和工程团进入罗布泊深处遇到大的沙尘暴伴随着飞石，士兵和科学家都受了轻伤，只是风沙还未过去大家可能面临迷路，路还要继续走下去，但是战士们都要一个解释，自己到底在执行什么任务。
沙漠条件艰苦，王明山带领的战士们几乎坚持不住。王明山得到了上级的允许，告诉大家正在执行的是寻找原子弹试爆地点的任务，钟教授给战士们讲解我们的国家正受着美帝国主义核武器的威胁，只有我们拥有了核武器就能抵抗帝国主义的威胁，是这个时代最伟大的任务。战士们听后热泪盈眶，表示就算牺牲也值得。苏联仍然没有送来模型，大家再次失望离开。苏联人总是诸多借口拒绝运送原子弹模型。王怀民想起钟心有照相机，于是新的计划开始了。王怀民等人用相机拍下了黑板上被擦掉的图，又在暗房做技术处理，不断拼图计算。大家夜以继日不断拼凑。
终于，一幅完整的原子弹内部结构图被拼凑出来，众人雀跃欢呼。大家商量着在发生变故之前尽可能多的掌握更多的知识和技术。不料陶志纲突然闯进来询问，而且是接到举报说这几个人特别活跃，陶志纲和众人抢夺照相机的时候曝光了相机底片，毁了大家收集到的所有资料。王怀民一通科学理论怒怼陶志纲让其无言以对。A所保密包制度实行，每个同志上下班都要领取和送还保密资料。王怀民对保密包计划信心十足，他的大脑完全可以记住所有的知识。黄凯华妻子向其提出离婚并带走孩子，陶志纲愿给黄凯华提出帮助，但是黄凯华决心已定还是签下了离婚协议。
陶志纲告诉黄凯华保密包不是针对他们几个而是更好的保护资料安全，黄凯华告诉陶志纲王怀民的事情而且劝告陶志纲更多地去了解这些科学家们。杨佳蓉冒着雨接振理回家，振理十分开心。钟心在男生水房帮王怀民和其他科学家洗衣，王怀民突然闯进水房告诉大家之前研究的九号核材料利用率低爆点低，改用五号材料，大家重新计算模型公式，再继续压榨苏联专家一定能成功研制五号材料。陶志纲告诉大家一个沉重的消息： 苏联人撤走了。苏联专家离开前，把所有带不走的资料都烧毁了。苏联单方面解除原子弹援助条约，大家情绪激动要抢回资料被拦截。但苏联之前在华所做的一切为中国第一颗原子弹研制成功打下基础。
黄凯华突然向大家宣布自己放弃研究且离婚的事情，黄凯华虽然甘心为祖国的一切奉献自己，哪怕是妻离子散只要能造成原子弹自己也认了，但是现在可能造不出原子弹自己的价值和意义全无。黄凯华第二日写信给妻子愿意调回广州与其团聚请求复婚。陶志纲紧张国家放弃制造原子弹，和傅首长说实话自己对于原子弹的感受，但是被傅首长批评，两人争辩原子弹造出不易困难重重。
王怀民去看杨佳蓉和孩子，结果杨佳蓉因为工作和照顾振理染上重感冒晕倒住院，王怀民才从杨佳蓉朋友处得知杨佳蓉是南京大屠杀的亲历者，家人全部在南京大屠杀中遇难。朋友向王怀民指明杨佳蓉的心意。黄凯华收到妻子再婚的回信，彭雄飞也得到苏联专家全面撤离的消息，两人心情不佳一起去喝酒。杨佳蓉醒来看见王怀民所做的一切很开心，杨佳蓉隐瞒1949年见过王怀民事实而且鼓励王怀民去找到自己的志同道合的人。
林安城教授带来了毛主席说的话我们可以自己试试，苏联人帮忙是好，不帮忙我们也可以。苏联专家撤走之后留给中国人的是更广阔的舞台，有更多科学英雄崛起，并且中国的三个铀矿厂都即将投入使用，那么中国要自己做原子弹，走出一条自己的原子弹之路，这个消息令众人热血沸腾。大家齐声喊着自力更生，艰苦奋斗的口号，誓要造出中国人自己的原子弹。