2013年1月6日，我国国产大型运输机航-20首飞，各大新闻媒体对此进行广泛报道，该型飞机是我国中航工业集团完全自主研发的大型多用途运输机。医院内，看着直播的老飞行员秦天，回忆起了几十年前的时光。
1949年10月1日，新中国成立的开国大典仪式上，身为飞行中队队长的秦天，与战友们飞过天安门广场接受检阅，飞行途中，秦天所驾驶的飞机突然出现故障，他只能返航，根据经验判断，故障原因是发动机使用年限过长导致的，飞行总指挥颜司令命令秦天放弃飞机跳伞，然而秦天却保证自己一定可以保住飞机安全返航。在过硬飞行技术的操作下，秦天顺利将飞机降落在某军用飞机场内。
飞机保住，飞行员平安降落，秦天本想向司令员讨个奖励，却不料遭到严肃的批评，秦天并不愿意承认错误，自认为自己对飞机的情况非常掌握，平安降落在意料之中。司令员看着这个从飞行学校起就是刺头的飞行员，气不打一处来，命令他沿着飞机场跑圈，直到意识到错误为止。秦天干脆利落的跑了起来，直到深夜也没停下。
战友张长江、江行建找到司令员替秦天求情，颜司令一直在关注着秦天的跑步动态，饭也没吃。此计不行另换他计，两兄弟又陪着秦天跑圈，劝他去认错，颜司令为了他已经一天没怎么吃东西了，听闻至此，秦天终于决心去认错。
认错完毕后，差不多一天没吃饭的颜司令和秦天坐在一起吃饭，秦天感慨不知什么时候才能开上自己国家产的飞机，颜司令称总有这么一天，天安门上空，一定会有成千上万架国产飞机飞过。西工院有一个飞行英雄报告会，颜司令建议秦天去，因为西工院是专门为新中国培养造飞机人才的，原本对此不太感兴趣的秦天突然来了兴趣，称自己必须得去长长见识。
英雄报告会开始，航空系专业第一的赵德良并没有去看，而是一直在研究自己的飞机模型，面对同学们的质疑，他丝毫不在意。秦天在报告会上演讲，他将国家飞机的真实情况如实报告，开国大典上接收审阅的飞机型号五花八门，有的已经接近使用年限，自己飞过的时候也是胆战心惊，希望诸位同学能够努力研发国产的高质量飞机。
报告会尚未结束，秦天直接开溜，在礼堂外遇见了正在研究飞机模型的赵德良，赵德良对中国第一架飞机的制造者冯如先生表示了极大地敬佩。看着赵德良的飞机模型，秦天提出了当前飞不起来的原因可能是螺旋桨设计过大，赵德良茅塞顿开。
经过改装之后，在“冯如号”飞机模型正式试飞之前，赵德良先带秦天见了师姐徐梦，徐梦在报告会上见过秦天，她一把拉过尚以为秦天是学院小师弟的赵德良，将其真实身份告知，得知真相的赵德良大吃一惊。在诸位学子的见证下，“冯如号”试飞成功，大家受到了极大地鼓舞。
1950年6月25日，朝鲜战争爆发，几个月后，秦天参与到志愿军中入朝作战，作为补给机，执行完任务回境后遭到了美军战机的尾随。双方在空中开战，而此时受命去造飞机的包括赵德良、徐梦在内的技术人员目睹了这一切。赵德良看着国产先进飞机与敌方飞机的战斗，非常兴奋，被敌方发现，扔来一颗炸弹，幸亏同学及时将他们扑倒才避免了危险。在正巧路过的后勤补给人员曹慧芳带领下，诸位人才平安到达辽宁安东机场。
辽宁安东机场全体职工为诸位学子的到来表示热烈欢迎，当前朝鲜战争正打得激烈，虽然我国在军事上有苏联的帮助，但是求人不如求己，本国的航空业必须尽快建立起来。周恩来总理命令杜教授和颜司令等人组建一支战时快修队，以培养一批优秀的航空工业人才。听闻于此，诸位从各大高校选拔出来的优秀人才受到极大鼓舞。
赵德良、徐梦被分配到老修理工郑有福手下，初次见面双方并不愉快。郑师傅在十二岁的时候就已经进厂做工，如今已经积累了丰富的实践经验，属于只干不说类型，而赵德良作为知名高校毕业的高材生，理论功底扎实却非常缺乏实践，看着郑师傅不依靠任何科学设备，只凭感觉来下手修理飞机零件，他对此表示了极大的不赞同。
秦天等人驾驶的补给机在经历过空中战斗后珊珊来迟，几个高材生特意去机场观摩真飞机，老友相见，分外开心。秦天所驾驶的飞机在战斗中受损，经过苏联科学家当场检查，认为当前的受损情况只能运输到铁路修理线进行修理。秦天对此表示否定，因为机场没有牵引车，来回修理一趟太耗时，会严重影响备战作战。飞机场的众多工作人员，用马车、人力硬是把停在跑到外边的飞机给拉回了跑道上。
对于飞机的修理，赵德良提出了自己的见解，认为飞机发动机故障或许可以通过更换部分零件来实现，而不必运输到其他地方修理。郑师傅严厉的批评了他，认为苏联专家都说机场当地修不了，一个刚毕业的学生怎么可能比人家专家还厉害。负责后勤保障的曹慧芳同志正好听见了郑师傅对赵德良的骂声，她又严厉的批评了郑师傅，不应该用恶劣态度对待人家刚毕业的同志。
在徐梦的提议下，待夜晚众人睡着后，徐、赵两人偷偷潜入车间想要私自修理发动机，被发现关了起来。张长江对两人进行询问，得知赵德良1944年时要求进步准备投奔革命去延安抗日，张长江认为1945年小日本投降，赵德良1944年参加抗日，这是投机行为。赵德良表示委屈，1944年的自己又不知道小日本会在一年后投降。总而言之，张长江仍然认为他思想有问题，并且当前严重违纪，要求关禁闭处理。
在经过思考下，秦天向颜司令和杜总工求情，当前人手紧缺，请求先行把徐、赵两人放出来，让他们在工作中反思错误。领导们表示同意。此时突然得到消息，一架执行任务从朝鲜返回的运输机受损迫降在农田中，机场人全部出发连夜前去抢修，但飞机受损严重，已经报废，杜总工认为把飞机有用零件拆下来可以修复好几架受损的战斗机，然而秦天不赞同，因为此地距离边境较近，很可能会遭到敌机的袭击，但是在诸位修理工的坚持下，只能同意暂时拆卸。
果不其然众人点燃火把拆卸飞机被美空军发现，连着两拨扫射，飞机被炸烂，好几位修理工牺牲。在第三次袭击时，早就赶回机场的秦天带着战友驾驶飞机而来，击退美空军飞机。
秦天就自己飞机载油量问题与领导产生冲突，秦天认为可以在自家专家工人的帮助下尽快把载油量提上去，而杜总工坚持称应该遵守苏联专家的意见。大会商讨，苏联科学家坚持向上级汇报，由苏联运输相关金属材料以解决问题，而秦天认为为了节省时间，可以因地制宜的用现有材料进行替代，双方话不投机。
会议内容被徐梦听到，她急忙将此事告知赵德良。
徐梦认为或许可以自己找材料自己制造飞机副油箱，英雄所见略同，另一边的秦天与战友们也是想到了这个方法。由于与苏联有协议，中国人不可以私自研制飞机，因此只能秘密进行。秦天、江行建、赵德良、徐梦、曹慧芳五人组成的秘密研制副油箱小组正式成立，大家会餐一顿，开启了秘密研制副油箱的过程。
经过讨论，村里人家的白铁皮可以称为原材料，通过改变副油箱的形状也许能够提高材质的承受强度。说干就干，大家分工合作，夜晚时分摸黑在飞机生产车间研究相关资料，发出响动被巡逻的警卫员听见，几个人连忙关掉手电筒躲了起来。警卫员打算开门去检查，被路过的张长江看到，张长江早虽然不是秘密研制小组成员，却早就偷听到了秦天等人在会餐时的谈话，料到里边的人是谁，于是借口车间里有老鼠而打发走了两位巡逻人员。之后便特意走到车间门口，冲着里边要求小点声音。
因为秘密小组对副油箱的制造，近期相关零配件耗的非常快，面对苏联科学家的察觉质疑，杜总工称可能是大家最近飞机修理速度提升了。杜总工与秦天碰面，他早料到秦天等人必然在秘密的搞副油箱的事情，于是告知当前苏联人已有所察觉，得小心行事。
经过小组商议，既然苏联人爱喝酒，那么由徐梦、江行建、曹慧芳等人通过与专家喝酒的方式来把人拖住争取修理时间。经过江行建、曹慧芳的连番灌酒，专家被灌倒。第七次副油箱建造失败，找不到原因，徐梦认为或许可以找郑师傅询问一下。然而郑师傅却认为自己带了两个徒弟净是溜须拍马，连徐、赵二人的话都没听完就愤怒的走人了。
一位苏联教授给了杜总工一份副油箱的设计图纸，杜总工将之交给秦天。徐梦在车间差点摔下楼梯，被江行建横打抱起，两人早就对彼此心仪，江行建将一本书送给徐梦，扉页上写下了自己的告白并约徐梦夜晚碰面。徐梦看到后很开心，然而被赵德良发现。赵德良与徐梦在学校就相识，一直很喜欢她却没表露出来，看到这个告白之后有些许落寞。
在曹慧芳的提议下，赵德良打算也直接向徐梦告白，行就行，不不行就不行。然而他的告白被拒绝，在徐梦心中二人是铁打的革命兄弟情，从来不涉及男女之情。被拒绝，赵德良坦然，鼓励她去找真心喜欢的人。徐梦赴江行建之约。
副油箱制造完毕，还差最后把油箱装上飞机的步骤，这个步骤对专业技术要求非常高，目前只有郑师傅可以做到。在曹姐的帮助下，郑有福来到车间，原本害怕被苏联人责备的郑有福耐不住众多人的恳求，只能硬着头皮上前操作。