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1955年，国际局势风云变幻，新中国的建设迫在眉睫，身处他乡的中国知识分子中掀起了一股归国热潮。留美物理学教授钟培林，留苏深造的王怀民、何吟薇夫妇和黄凯华等物理人才克服重重阻力，辗转踏上报国之路。1958年中国的第一个核武器研究机构A所成立，王怀民与战争英雄陶志纲、护士杨佳蓉以及彭雄飞、黄凯华、钟心等科学家一同加入A所开始了原子弹研发工作。他们在研发过程中渡过了研发条件艰苦、自然灾害等重重危机。终于在1964年10月16日成功试爆了中国首颗原子弹。大家欢腾雀跃，又一鼓作气地投入到氢弹和两弹结合的研究中去，不久，这两项伟大的事业也相继取得了胜利。王怀民和杨佳蓉，陶志纲和钟心也终于在同一天迈入了婚姻的殿堂。1978年，科学的春天终于到来，王怀民却因积劳成疾将不久于世。医院里，他用尽力气，在民用核电报告的扉页上写下了他们几个人的名字。
1955年，中国政府决定开始研发自己的原子弹，这个消息在身处异国他乡的中国科学家们当中掀起了归国热潮。美国纽约州，钟培林教授准备回国。女儿钟心的研究课题正在攻关阶段，她拒绝了父亲一同回国的邀请。钟培林与几名华裔科学家在酒馆地下室秘密见面，准备回国。
北京某旧货摊，王怀民和钟培林同时看中一个老旧的仪器部件，钟培林技高一筹，最终买走了仪器。方明将军来找钟培林，问他是否愿意隐姓埋名投入原子弹的研究，钟培林毅然决定以身许国，并改名钟爱国。
怀民终于进入A所，忽然听到一段小提琴曲，与何吟薇当年拉的一模一样。怀民惊喜而去，却发现对方是个年轻的姑娘，于是黯然离开。她正是钟培林之女钟心。陶志纲质问钟心为什么要在这里拉琴，钟培林及时赶到阻止了两人的争执。
雄飞与怀民争吵离开，凯华告诉他，怀民是因为妻子吟微的过世才会如此。苏联专家丢了保密文件，陶志纲带人严查。怀民回到宿舍，只看到一片狼藉，连留声机都被陶志纲拆坏了。陶志纲调查后确定，文件是苏联人自己落在了宿舍。
为了获取苏方知识，压榨组申请组织一场舞会。借着舞会众人向苏联专家提问，但收获甚微。钟心邀请怀民跳舞被拒绝，又邀请陶志纲，结果二人又争吵了起来。怀民和安德烈坐在一边算着数独，怀民先一步完成离开会场，令安德烈暗自讶异。
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，战士们听后热泪盈眶，表示就算牺牲也值得。终于，一幅完整的原子弹内部结构图被拼凑出来，众人欢呼雀跃，不料陶志纲突然过来询问，贸然曝光了相机底片。
研究所收到了一个写着“王收”的皮箱子，陶志纲万分警惕，不曾想箱子里装的竟然是安德烈寄给王怀民的资料。他被怀民的科研精神打动，留下这些资料帮助中国。钟培林宣布，为了记住撕毁协议的这一天，第一颗原子弹代号为“596”。
扩招的新同志们终于来到A所，杨佳蓉也进入了A所医务室，但佳蓉却并没有遇到王怀民，反而与钟心成为了朋友。枪式与内爆两个小组为了抢人花样百出，杨佳蓉却被医务室主任打发去整理堆积如山的医疗档案。
王怀民规划出了计算的重点和研究方向，给众人各自安排任务。在他认真的态度下，金花组也安心起来。杨佳蓉认为原子弹杀伤力强大，难以接受A所的研究方向，在牛玲的劝说下，她愿意投身核防护事业。
黄凯华心中烦闷，下班后又来到书店，却见江水宁只是冷漠结账。怀民边骑车子边思考问题，结果摔倒了。到了医院，没想到凯华也因为专注运算撞到铁架子上了。过度实验以致阵发性耳聋的彭雄飞和摔断了胳膊的钟心也进了医院，几个人互相嘲笑彼此是傻子。
原来李彩兰和雄飞是娃娃亲，只是雄飞并不认可这门婚事，早早就离开了家。此时正是困难时期，彩兰在奶奶饿死后，一路走了半个中国，这才找到雄飞。众人都佩服彩兰的韧劲，为她安排住处，只有雄飞不希望彩兰留下。
舞会散场，陶志纲将佳蓉留下的字条交给怀民，原来是振理高烧住院的消息。怀民匆忙赶到医院，看到佳蓉陪着小振理，感慨幸好有佳蓉的照料。
陶志纲虽然拒绝了王怀民，但其后仍为科学家们申请高级别出入证，这令组织上对他刮目相看，委派给他远赴他乡的新任务。众人为志纲饯行，却苦于物资贫瘠，多亏彩兰妙手，用野菜做出了一顿佳肴。
雄飞知道彩兰留在食堂后，连打饭都失去了勇气，没想到彩兰的好手艺却征服了同志们。研究所里，数据汇总工作完成，研究进入新的阶段，也面临着新的难题。怀民真诚的发言鼓舞了众人，大家热情投入，唯有丁向军神色不忿。
第三遍的数据演算结果依然与苏联不同，丁向军认为内爆式是个错误，被众人排斥后愤然离开。经过了九次计算，结果全都一样，此时，众人终于确信，是苏联的原始数据错了。
陶志纲带怀民去见久别的佳蓉，不料相见后，怀民一时激动，突发急性高原反应。此时基地正在大面积爆发高反，医院也人满为患。基地条件恶劣，寒冷和饥饿成了两大难题。
钟心刚与陶志纲有所缓和，陶志纲却又开始批评她连沙鼠肉都不敢吃，没法儿做共产主义战士的合格妻子。怀民要做集水器，其他技工都觉得难，大海及时接手，答应会很快给怀民成品。
领导派文工团来基地慰问演出，台下，佳蓉和钟心聊了起来，佳蓉说钟心和陶志纲最合适。方明将军临行前留下一个苹果，可谁也不舍得吃。怀民听说钟心要搬到佳蓉的宿舍，主动来帮忙。怀民看到方明将军的苹果突然有了灵感。
雄飞主动到田地里帮忙，彩兰说等基地粮食问题解决了她就会走，雄飞嘴上说着不喜欢彩兰，却忍不住出言挽留。成格勒缓和了钟心和志纲之间紧张的气氛，然而，为了多捕一些黄羊，他却误入沼泽不幸牺牲。
成格勒的牺牲，让陶志纲有所好转的战后应激创伤复发。环境艰苦，可实验却并没有停滞。怀民主动发言，否定自己的“精英理论”，申请加入中国共产党，钟心和凯华也不甘落后，向老钟提出了入党申请。
