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1960年的春天，铁道队战斗英雄金灿烂和带着设备回厂的火车专家常汉卿在一列疾驰的蒸汽火车上相遇，常汉卿因拒绝让出自己箱子所占的铺位而与晕车的金灿烂起了争执。外面传来警报声和枪声，金灿烂忘记晕车，冲出去协助乘警抓住了搞破坏的特务，她又误会同样带着箱子的常汉卿身份，两人因此结下梁子。江南机车厂政治部副主任冯仕高亲自来车站迎接金灿烂，原来金灿烂转业的地方就是常汉卿所在的机车厂，一路上两人都看对方不顺眼。江南机车车辆厂里到处灯火辉煌，来自祖国各地的青年人干劲冲天为中国第一台实验电力机车试车进行着大会战。
常汉卿陪冬妮娅喝过酒之后留下图纸就要离开，不料两人却因为一氧化碳中毒倒在床上，常汉卿用仅存的意识打破窗户，惊动了保卫。冯仕高陪同金灿烂来到常家小白楼，大姐常汉坤帮助常汉卿遮掩行踪。警报传来，金灿烂冲进旁边的专家楼看到倒在一起的常汉卿与冬妮娅，误会常汉卿耍流氓。常汉卿和冬妮娅刚被送进医院抢救，整个厂子都在议论这对胆大包天的男女。瓦西里代表苏联专家组就此事对厂里提出抗议，两国专家相爱是绝对不被允许的，冯仕高和金灿烂这件事的引起了上层的“高度重视”，金灿烂负责调查。
常汉卿为了不影响正在进行的新机车实验，对金灿烂谎称自己已经与白曼宁订婚。他要立刻出院，找冬妮娅拿回图纸赶快工作，金灿烂却告诉他冬妮娅的房间根本没有图纸。常汉卿与技术员陈凯确认了图纸丢失更加焦急，金灿烂看着对工作如此上心的常汉卿决定私放他回厂，这让常汉卿对金灿烂原本的印象有所改观。常汉卿发现机车的问题出在苏联专家严格保密的“核心技术”上，但瓦西里始终不让冬妮娅回车台，常汉卿要拆开苏联设备，而姚怀明却坚决阻止他。金灿烂用军人方式解决问题，当着瓦西里的面猛灌白酒，被随后赶来的常汉卿阻止并急送医院。
金灿烂担心白曼宁受刺激出事，找冯仕高要求住进白曼宁的双人宿舍，冯仕高提醒金灿烂小心站错队。常汉卿在冬妮娅和姚怀民的帮助下成功解决了技术问题，姚怀民却劝常汉卿电力机车在中国没有出路。冬妮娅接到了还有30个小时就要撤退的消息，想要帮助常汉卿解决更多技术问题。安保巡逻的金灿烂碰到加班工作的二人，从冬妮娅亲昵的表现中金灿烂坚信“大字报”的背后另有隐情，但是常汉卿却拒不承认。最后，常汉卿答应了金灿烂去安慰白曼宁才得以脱身。
厂里要给苏联专家们开欢送会，金灿烂答应了常汉卿帮助他见冬妮娅最后一面。之后，金灿烂帮助常汉卿对付瓦西里给冬妮娅秘密传递消息，两人又在送别会上合力拖延瓦西里为冬妮娅提供时间。冬妮娅成功破解了常汉卿隐藏在报纸上中的信息，她把回复的消息隐藏在了加密的日记本里，在瓦西里的阻止下无法交到常汉卿的手中。站台上，不被准许来送行的常汉卿躲在一旁拉着手风琴来为冬妮娅送行，冬妮娅冒着被发配到西伯利亚的风险，把日记本从窗口扔下了火车，这一切都被金灿烂看在眼里。金灿烂要没收常汉卿的日记本交给组织审查，常汉卿觉得上交审查会耽误实验机车进度，所以他骗金灿烂日记内容是他与冬妮娅的情诗从而搪塞过去。
白曼玉来找常汉卿，碰到了常汉卿的徒弟陈凯，白曼宁让陈凯继续支持常汉卿，陈凯借此机会向白曼宁委婉的表达爱意。金灿烂鼓励心情低落的常汉卿，留给常汉卿联系吴厂长的方式，希望他能得到厂长的支持，常汉卿带着情绪给吴厂长打电话，被吴厂长训斥使他恢复了冷静。冯士高从技术科的报告中得知了报纸中确实有秘信，又有人向他报告金灿烂把吴厂长的地址送给常汉卿的消息，冯仕高担心金灿烂影响了她自己的前途，随即把报纸中秘信的消息告诉了她，并危言耸听的告诉她冬妮娅留下的日记本有可能是苏修特务问题，引起了金灿烂的警觉。
吴厂长借调金灿烂到电力机车研究室当联络员，保护常汉卿研发机车不受干扰，并开会向全体员工宣布电力机车不能停。冯仕高尽自己的能力帮助金灿烂提高了车太的伙食标准，得到了吴厂长的表扬。杨部长给了常汉卿最后一次机会，常汉卿带着人又热火朝天的干了起来，在三天之内解决了无数个小问题，实验终于成功，中国制造的电力机车开动了，全场欢呼，在门口等候以防不测准备带常汉卿离开的常汉坤只好回家，撕掉了车票。
劳累过度的常汉卿在车台驾驶室睡着了，金灿烂给常汉卿盖上自己的毛毯不小心在常汉卿的身边睡着了，被赶来的大姐和冯仕高发现，大姐让金灿烂远离常汉卿，冯仕高替金灿烂不值要把金灿烂调回保卫科。常汉卿不小心弄脏了金灿烂的毛毯，亲自给金灿烂洗毛毯，缺乏生活经验的他把金灿烂哥哥留给他的毛毯洗坏了。内疚的常汉卿给金灿烂赔偿了一条新毛毯，金灿烂对常汉卿发脾气，一旁的常汉坤看不下去，拿钱赔偿金灿烂，金灿烂一气之下要调回保卫科。常汉卿为了不让金灿烂调离职位去找吴厂长。
金灿烂请常汉卿到山上打兔子吃，想劝说常汉卿在厂里给大家做个报告，常汉卿因为金灿烂不让他讲清楚洋拐棍的问题而拒绝做报告。在金灿烂的激将下，常汉卿吐出了刚吃下的烤兔肉，又摔到了陷阱里踝骨脱臼。正在帮常汉卿正骨的金灿烂被正巧赶来的常汉坤误会，推倒金灿烂磕伤了头。厂医院里，牛医生说常汉卿的伤处理很及时，过意不去的大姐让牛医生帮金灿烂检查伤口。
常汉卿脚伤恢复，帮金灿烂买了一辆破旧的二手自行车并帮她修好，白曼宁来通知二人常汉卿没有得到特等功。气愤的金灿烂找到冯仕高，原来冯仕高把金灿烂整理的材料断章取义才使得常汉卿没有得到特等功。大姐常汉坤也来找冯仕高，无意中听到两人的对话，误会金灿烂与冯仕高是一伙的。大姐劝说常汉卿出国，常汉卿把自己关在屋里做着艰难的选择。冯仕高告知金灿烂可以调回保卫科，而这一幕正好被常汉卿看到，常汉卿下定决心离开出国。
车台上，意气风发的常汉卿带着大家加班加点对机车进行调试。杨部长秘密来到厂里私访，常汉卿向他讲解变压器低压侧调压的技术得到了杨部长的认可。报告会议上，常汉卿就用如何用好“洋拐棍”的问题向杨部长表达了自己的想法，吴厂长为常汉卿争取特等功，杨部长承诺，只要在宝成线试车成功就给常汉卿补发特等功。常汉卿请金灿烂在路边摊吃臭豆腐，想让金灿烂调回车台继续当联络员。常汉坤得知常汉卿与金灿烂在吃路边摊马上找了过来，生气的拉常汉卿回家。
金灿烂来找常汉卿询问他们去宝成线的时间，并答应跟他一同前去让常汉卿很高兴。金灿烂私下嗔怪常汉卿昨天扔下她独自离开的事情，并指出常汉卿被大姐保护的太好，没有经历过挫折，让常汉卿有了感触。等到出发的那一天，陪常汉卿同去的金灿烂却突然变成了王胖子，常汉卿十分气愤，立刻给冯仕高打电话，被徒弟陈凯及时阻止，这时候白曼宁来给常汉卿送护膝，被常汉卿拒绝，陈凯告诉白曼宁金灿烂已经送了一副狗皮的护膝给常汉卿，白曼宁顺手把自己做的护膝送给了陈凯，陈凯十分高兴。
常汉卿给金灿烂打电话，得知大姐请金灿烂到家吃饭，内心十分焦急，在给金灿烂打电话发现她开始疏远自己。姚怀民在吴厂长的劝说下去宝成线帮助常汉卿完成行走部的工作，也学到了直直电机在内燃机上的改进方案。完成前期勘测工作的常汉卿焦急的回厂找金灿烂，没想到金灿烂坚决的与自己划清了界限。常汉卿向大姐常汉坤表示自己该长大了，并向大姐挑明自己很喜欢金灿烂。冯仕高帮助金灿烂拿到去夜校学习的机会，也能更多的接触到金灿烂。
金灿烂拿着常汉卿白天给她的晕车药，回忆起与常汉卿在一起的过往，这时，她发现自己的行李中有常汉卿偷偷塞给她的小纸条，常汉卿信中真挚的话语终于打动了金灿烂。夜晚，常汉卿在铁桥边独自散步，没想到碰到两个在铁轨上安置地雷的特务，常汉卿就要被特务灭口，金灿烂及时赶来，经过一番斗智斗勇之后救下了常汉卿，金灿烂因此而负伤。金灿烂顾不得伤痛，和常汉卿合力拆除了地雷，又发现特务把钢轨接缝处的螺栓扭掉了，他们合力用肩膀扛着撬棍固定铁轨。
试车会上，没有想到杨部长也不顾个人安危跟着上了车，吴厂长告诉常汉卿取消极值实验，杨部长却不让他干预，常汉卿自信的要求加速，经过惊险的下坡路，极值实验终于成功了。奔腾号试车圆满成功，常汉卿得到特等功奖章，杨部长表彰常汉卿，常汉卿提醒大家不能自满要有危机意识，研发之途任重而道远，精彩的讲话让金灿烂带头拍手叫好。常汉卿照顾受伤的金灿烂洗头，冯仕高拍到他们俩亲密的照片威胁常汉卿要把照片拿给常汉坤看，并表示自己并没有输给常汉卿。
常汉坤又使计让常汉卿错过带金灿烂去拆线的时间，亲自推着金灿烂去拆线并与她谈话，告诉金灿烂自己要与她斗到底。醒过来的常汉卿跟她吵了一架，并去安慰金灿烂。大姐找到冯仕高希望他出面阻止两人的恋爱。关于定型生产的会议上，冯仕高对此志在必得，常汉卿与姚怀民虽然出发点不同但都不赞成定型生产。冯仕高找金灿烂到工人俱乐部礼堂，在只有他们的舞台与灯光中向金灿烂送上鲜花、深情告白。金灿烂拒绝了冯仕高，表明自己心里已经有了常汉卿。
常汉卿则更加坚定了自己同金灿烂携手一生的决心。他们向组织提交了结婚申请，冯仕高借口要审核不给答复，常汉卿非常不满。大家认为常汉卿不给机车定型，影响了全厂的物资供应和大家的利益。厂里降工资，冯仕高让大姐常汉坤放弃高薪津贴，引来常汉卿不满当众说出右倾言论，被冯仕高当场暂停一切职务接受组织调查。大姐担心常汉卿还会有更大的麻烦，金灿烂上门告诫姐弟俩听冯仕高的话，自己会帮忙想办法。
金灿烂为了结婚申请能够尽快通过，放弃了自己后备干部的身份。冯仕高因此很痛心，更加深了对常汉卿的怨恨。他打电话通知了金灿烂的老首长，老首长赶来怒斥金灿烂，不允许她嫁给常汉卿，常汉卿与老首长拼酒期望得到认可。常汉卿通过了考验得到了老首长的认可，金灿烂也收到了战友们凑的嫁妆。金灿烂与常汉卿拿到结婚登记证书，大姐要大办婚礼遭到金灿烂的反对，常汉卿从中调和却被大姐说是妻管严。
回到家，大姐与常汉卿合奏钢琴曲欢迎金灿烂。新婚之夜，二人状况频发，金灿烂甚至不小心把常汉卿踹下了床。大姐担心常汉卿受伤，警告了金灿烂。冯仕高也拿着金灿烂的照片，假装与金灿烂举办婚礼，宣誓爱她永不改变。白曼宁因为当天的播出事故去找冯仕高求情，想用金项链贿赂甚至献身给他，但冯仕高仅收下了检讨书。依旧将常汉卿作为自己的对手。特殊时期，粮食供应紧张，常家也只能喝白粥。
被金灿烂劝诫的常汉卿看着厂里的职工们表达了自己的敬佩和感慨，却因为低血糖而晕倒，大姐和金灿烂都把自己的食物节省下来留给了常汉卿。苦日子里，一家人的联系紧密了起来。大姐要去北京开会，带了几个箱子想帮常汉卿采购副食品，金灿烂对大姐一心为家的精神非常敬佩。夫妻二人决定替大姐分忧，把家里的花园改成了菜地。大姐回来后看到自己的花园被毁非常生气，金灿烂亲自下厨做肉菜给常汉坤接风而大姐的情绪有所缓解，但之后巧合得知肉的来源后常家姐弟感到十分不适，常汉卿一边呕吐一边极力袒护金灿烂。
