公元1901年3月30日，也就是光绪二十七年的二月十一日，时任湖广总督的张之洞，未下任何通传就过江来到他亲手创建了十一年的湖北枪炮厂，目的是要试一下刚从德国买进的火药机，但让张之洞意想不到的是这个颇费银两的机器给他造成不小的麻烦。技术总监陈江南在枪炮厂门口迎候张之洞，张之洞要看一下火药机的威力，突然一声爆炸声证明了火药机的成功，他们想不到一场惊天大祸正向他们袭来。
火药机突然卡壳，枪炮厂四大弟子奉命前往查看，刚进厂门口就听到爆炸声，厂房里乱成一团，德国进口的机器设备被炸毁，徐建寅和陈江南等人被炸得粉身碎骨，他们在废墟中找到老师陈江南的怀表。牟九清理现场，他将情况汇报给伍会山，陈江南住所被封。四大弟子分析爆炸原因，他们的调查十分顺利，晋老大成为最大嫌疑人，抓到晋老大就可问清真相，当他们来到晋老大家里时才发现来晚了，几人一致认为背后有人指使。
四大弟子来到仓库调查机器情况，陈江南曾调查过，但机器已被人摧毁。牟九想杀害四大弟子，他担心事情真相被查明，但又怕张之洞追查。四大弟子正按时修枪，几天来累的不轻，黑衣人袭击他们没能得逞。
大清驻德意志国公使团朱激缄曾写信给陈江南，四大弟子来到陈江南家中寻找那些东西，锦袍中找到密信，伍会山以次充好，单据也已找到，四大弟子深夜击鼓要见总督张之洞，张之洞叫他们进入后加入训斥，四大弟子拿出单据，张之洞看后让他们起身，那些证物均被收下，张之洞让他们保密行事，以后不要再插手，等真相大白之后会给他们一个交待。
张之洞召来伍会山，他没提爆炸之事，伍会山放松警惕，张之洞收到朝廷对奏章的批示，四大弟子被传至总督府，张之洞将朝廷的批示告诉他们，徐建寅和陈江南等人按阵亡抚恤，四大弟子情绪激动，他们难以接受，张之洞早已暗中调查，他相信四大弟子所言，向朝廷撒谎的原因是想将枪炮厂继续办下去，不能让它就此而废，张之洞带他们看到洋人送的枪，还见到大清全图，没有自己的枪让张之洞很遗憾，四大弟子看到那份名单后理解了张之洞的良苦用心，四大弟子决定试制新枪。伍会山因堂叔的帮忙才保命，他回乡谋生。一年间过去了，四大弟子对新枪的研制取得了不错的成果，每人都投入了全部的精力，期间刘鄂娶妻生子，兄弟们羡慕不已。四大弟子的设计方案被德国教习否决，他们并不甘心。
刘鄂曾在街上得罪德国总教习沃勃林登，沃勃林登不断挑枪的毛病，四子弟子被指责，他们用了鲁格枪的设计风格，那要德国只有贵族才能用，也是刚生产不久，沃勃林登让四大弟子写保证书，如果不能按时完成就要受罚，四大弟子愿意一试，他们也是想争一口气。努力之后枪研制出来，只是精密度不度，有人提出第一步走错了，陈鄂感觉他的分析有道理。
试射时张之洞来到现场揭幕，第一枪试射命中靶心，第二发试射时卡壳，第三发试射炸膛，枪支报废，张之洞没说一句话就离开了，沃勃林登摆出一副神气的样子。四大弟子被张之洞带走，他们承认罪过，但并无后悔，刘鄂想总结失败原因之后再死，张之洞叫他们起身，他们被罚减俸一年，并降为机匠，主要研究本土枪支的特点。余庆鳌对四大弟子要求严格，刘鄂刚开始不明白他的良苦用心，后来余庆鳌收刘鄂为徒弟，对刘鄂的考验是让他在两个小时内将一块钢变成钢球。
刘鄂拿着做好的钢球去见余庆鳌，那比他想象的时间短一些，刘鄂听说过他的故事，余庆鳌讲明造枪的道理，四大弟子被观察很久，只有刘鄂真相做到人枪合一。两年后，刘鄂陪妻儿上坟，途中刘鄂带儿子来到戏园门口，见到梅姑让他意外，两人有些尴尬。
梅姑躲在一旁看着刘鄂一家老小离开，她想起往事。余庆鳌和沃勃林登闹翻，他被派到德国，走之前把两样东西送给刘鄂，刘鄂希望他能超越自己。新炮运至长江口，沃勃林登得知出了一些麻烦，有一门大炮弯了，炮管的硬度不够，因运输途中颠簸所致，汉斯提议让四大弟子去提货。下工后刘鄂和几个兄弟喝酒，几个议论梅姑，刘鄂喝多后被送回家。
四大弟子奉命去上海验收大炮，几人很意外，刘鄂因醉酒没能过去，克虏伯生产的大炮没能引起他们的怀疑，三人在验收清单上签字，汉斯请他们去日本餐厅吃饭。刘鄂听说三人被抓后来到监狱中探望，三人将性命交给刘鄂，刘鄂把收集到的证据向上峰汇报，他怀疑是德国人故意设局陷害，张之洞要派人亲自调查，北京城内为新政弹劾张之洞的人大有人在，刘鄂意识到兄弟们的性命难保。
刘鄂想通过修炮来保住三人，他去找张之洞之时才知道他们要被总理衙门押走，刘鄂想尽力一试，他需十日时间，修不好愿意和他们同罪，张之洞电报朝廷延缓十日。刘鄂开始修炮，他看到三兄弟送出的资料，刚开始无从下手，沃勃林登一直在暗中偷偷关注此事，刘鄂想知道真相，沃勃林登拒绝回答，刘鄂再三相求，沃勃林登劝他放弃，炮管弯曲在德国都是问题，沃勃林登说明原因。
十日期限将至，张之洞一直关心着修炮之事，刘鄂整日呆在兵工厂，老鲍师傅想到一招，几次小试验之后感觉可能。炮管被取下后进入火炉，众人合力按预定方案修理炮管，沃勃林登也在后面偷看，大炮终被修好，张之洞得到消息后十分高兴，他要好好睡上一觉。大炮修好让沃勃林登十分意外，沃勃林登想把经验向德国方面汇报，汉斯的行为被告发，沃勃林登意识到当初的做法不对，三兄弟顺利出狱。
四大弟子在家聚会，张之洞来到后和他们同饮，刘鄂给儿子起名汉阳。四大弟子被恢复职位，张之洞命他们继续造枪，他在朝廷被弹劾，刘鄂等人看到湖北枪炮厂的建厂蓝图，汉阳在门外听到他们谈话，他们要将几人的特点融合在一起，几人一起研究德国毛瑟八八式，刘鄂提出设计方案，张之洞没来得及看，他被老佛爷叫入京城盘问，造出新枪可解燃眉之急。
江南枪炮局派人用重金收买四大弟子，四大弟子看法不同，他们更想造出好枪，几人达成一致看法，他们各自施展才能，余老狼从德国寄信给四大弟子，那些资料都是他在德国看到后偷偷抄下，德国有那种仪器叫抛物线测量仪，刘鄂看到扇子后决定用土办法试枪，试枪的数据被一一记下，试验到第五十一发时出现卡壳，主要是枪管的问题。
四大弟子研制新枪被人怀疑，增加钢材硬度是解决枪管问题的根本。汉阳病重，大夫无能为力，刘鄂很揪心，他仍潜心研究图纸。汉阳妈所着汉阳出门找大夫看病，老中医说出民间偏方，只是药引子较难，用人血下药，汉阳妈用剪刀划伤胳膊，汉阳活过来。湖北枪炮局新制枪支被运往京城，四大弟子愿意随枪进京比试。