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1937年抗战爆发，仇寇肆狂，北大、清华和南开三校学子辞却五朝宫阙，长途跋涉，暂住于衡山湘水，复又寄居春城，弦诵不绝，悠悠八载。联大自1937年长沙建校，至1946年三校复员，在校生不过8000人，毕业生3800人，却培养出两位诺贝尔获得者，78位中科院院士，12位中国工程院院士和一批著名的文学家、哲学家、翻译家、社会科学家和政治家，在中国乃至世界教育史上，都留下了光辉的一页。西南联大犹如一盏明灯，高悬西南一隅，维系着中华文明的一缕学脉。
一九三七年七月，留学美国的程嘉树回到北平，在父亲的要求下准备报考清华大学。不料长辛店传来日军实弹演习的消息，清华北大的学子们愤然上街游行，抗议政府的不作为。程嘉树与发小毕云霄加入游行队伍，结识清华学子叶润名和北大学子林华珺。
程嘉文来到战地服务员，想讲程嘉树带回家，他带来最新战况，廊坊一夜失守，天津守军不战而退。林华珺闻言心急如焚，因为叶润名的妹妹叶润青是南开大学的学生。程嘉树当即夺了哥哥的车钥匙，载着林华珺赶往天津。日军召开记者会，公开宣称要轰炸南开。此时的南开已经是一片混乱，南开大学秘书长黄钰生正在组织师生们疏散和转移物资。
三校校长齐聚庐山，南开大学校长张伯苓得知南开被炸，痛心之余他对记者说：“敌人此次轰炸南开，被毁者为南开之物质，而南开之精神将因此挫折而愈益奋励。”北平沦陷，清华北大的师生们自发地组织起来保护还没有来得及转移的书籍、资料、实验用具。程嘉树虽不是两校的学生，却也不遗余力地参与其中。
失去了校园的同学们陷入了茫然，叶润名带领大家办刊物，以期唤醒民众。这时，北大助教，中共地下党员裴远之带来了最新消息，教育部决定三校迁往长沙，组建长沙临大。毕云霄的哥哥所在的部队正在招兵，即将奔赴淞沪战场。毕云霄前来报名，哥哥向他展示了中日两国生产的手榴弹。毕云霄终于明白，我军的溃败不是将士们不善战，而是军备太差。
叶润名登门拜访，劝说林华珺继续求学，林华珺心生犹豫，最终在程嘉树的激将下决定与叶润名一起去长沙求学。程嘉树在去天津的路上骗过哥哥，逃回北平，可惜晚了一步，叶润名和林华珺等人已经出发了。程父安排两个儿子以及外甥女方悦容都去美国，大儿子舍不下年迈的父母，决定留在北平。
程嘉树和毕云霄逃过日军的追捕，赶到沧州与叶润名等人汇合。潜入清华的事被日军发现，日军借题发挥，霸占了程家老宅及产业。身在武汉的闻一多接到临大的信，决定放弃战时教育委员会的任职，辞别妻儿，奔赴长沙。与此同时，刚刚经历丧妻之痛，留校苦撑残局的北大校务长郑天挺在妥善安置师生疏散后，也留下五个年幼的孩子前往长沙。
叶润名兄妹辞别父母，和程嘉树、林华珺等人登上前往长沙的火车。裴远之和方悦容先一步抵达长沙，在湖南临时省委的领导下，长沙临大党支部正式成立。长沙临大的混乱状况出乎所有人的预料，教室、校舍严重不足，大家只能打地铺。这般光景何时能开学？
临大决定十一月一号开学，程嘉树为考上临大，请林华珺担任自己的补习老师。长沙步入秋天，淞沪会战的节节败退给长沙城里带来了大量的伤病和难民。同学们主动上街救助伤病，帮助难民。街头的惨状令让同学们刚刚被大捷燃起的热情一下子又被打入了冰窟，同学们才明白抗日不是一朝一夕就可以取胜的。
恶劣的环境让同学们知道一切都来之不易，程嘉树也加倍努力，以各科第一的优秀成绩考入了临大，程嘉树将这一好消息写信告诉北平的家人，让已经被日军迫害至家徒四壁的程家欣慰不已。但家中的重担压在程嘉文一人身上，他不得已进入伪北平市政府工作。
同学们参加话剧《破晓》排练，程嘉树和林华珺整夜修改剧本，两人排练获得众人认可。新生文颉行动鬼鬼祟祟，被程嘉树毕云霄当间谍抓获，但事实证明是个误会。程嘉树毕云霄虽向文颉道歉，但文颉心结已经落下，对程嘉树非常愤恨。
文颉在林华珺的鼓励和帮助下，成为临大正式学生。临大邀请各界名流来校演讲，八路军驻湘代表徐特立的演讲受到了同学们的热烈欢迎。南京沦陷，三十万同胞惨遭屠杀，举国悲愤。同学们再也无法安心坐在教室里，纷纷要求上前线，以身报国。
一个形如乞丐的人出现在梅贻琦面前，梅贻琦认出他，正是清华物理系教授赵忠尧。为了躲避日军，赵忠尧将五十毫克实验镭装在菜坛子里，昼伏夜行，一路步行至长沙。梅贻琦借赵忠尧保护镭的行为劝说同学们，留校完成学业与投笔从戎同样重要。程嘉树和叶润名、叶润青冷静下来，决定完成学业。
日军轰炸武汉，叶润名兄妹虽然担心父母，却不能回家。大年三十，身在异乡的学子们抱团取暖。程嘉树给赵忠尧送饺子，赵忠尧发现程嘉树是个文理兼修的好苗子，邀请他下学期来物理系旁听。校委会和教育部共同决定临大迁往昆明，云南省主席龙云对即将到来的临大表示欢迎。
湖南省主席张治中派出中将黄师岳担任步行团团长，闻一多等十一名教授随团出发。双喜在步行团谋份一个伙夫的工作，沿途照顾程嘉树。步行团一路上的艰难远超师生们的想象，一个真实的贫瘠的国家呈现在师生们面前。师生们苦中作乐，教授们边走边给大家上课。
步行团进入贵州，真是天无三日晴，地无三尺平，人无三两银。伙食、住宿条件越来越差，师生们甚至睡过棺材。不少同学撑不下去了，打起退堂鼓，直到他们遇见一个叫贵生的孩子，才发现此地不少百姓以烟膏为生。看着活在水深火热中的同胞，师生们心中生出勇气，想要改变贵生的命运，唯有让国家富强起来。
步行团经历了六十八天，走过三个省份，终于抵达昆明，梅贻琦亲自迎接，国立长沙临时大学正式更名国立西南联合大学。因为昆明的校舍不够，文法学院即将前往蒙自。程嘉树和叶润名这才知道林华珺因母亲病危，返回北平了。心急如焚的程嘉树想回北平，却买不到票，焦急询问之际，林华珺出现在他面前。
双喜留在昆明，成为联大校工，把仅存的生活费给了程嘉树。方悦容觉察程家出事，逼问林华珺，得知程家产业没了，程嘉文谋了差事。联大文法学院出发去蒙自，火车抵达碧色寨站，郑天挺带当地人沙玛阿旺，一同迎接众师生。女生们来到周宅，林华珺提议把“颐楼”改为听风楼。
闻一多笔耕不辍，文颉送来辣酱，郑天挺调侃其“何妨一下楼”。1938年4月29日，日军袭击汉口，闻一多坚信抗战必胜，他也将蓄须至胜利之时。程嘉树收到毕云霄自昆明的来信，大家在艰苦环境下仍坚持学习，昆明空军开始招生，雷正也在延安窑洞里上课。
联大夜校继续开课，联大也恢复了教学秩序。林华珺将戒指还给叶润名，叶润名坦言理想与现实的冲突，两人分手，却也更加了解彼此。卢沟桥事件一周年， 联大学生和蒙自民众自愿捐赠物资。叶润名与裴远之交流《论持久战》，抵抗侵略依赖信念，叶润名决定毕业后奔赴延安。
昆明，裴远之带叶润名见到云南省特别委员会书记郭铁林，叶润名表明要加入共产党，并写下入党申请书，请裴远之当他的入党介绍人。武汉图书和仪器运送麻烦，叶润名自愿申请同去。叶润名送教材返回蒙自，程嘉树质问他不顾林华珺，两人扭打在一起，林华珺告诉大家，她已和叶润名分手。
