1955年，面对日益严峻的国际形势，我国在美苏两国的留学生和科学家们怀抱着报国理想纷纷回国，其中包括美国康奈尔大学教授，著名物理学家钟培林。王怀民和何吟薇夫妇、黄凯华等理论物理学博士作为留学生中的学术领军人物，也从苏联回国，投入国家科技建设中来。特务们在北京前门火车站设伏，计划炸死回国的科学家们，被来京疗养的军人陶志纲及时发现，保护了大批留学生们，意外却导致何吟薇难产死亡，留下孩子托付给帮她接生的护士杨佳蓉
王怀民不舍妻子离世，他决定加倍努力，带着妻子的理想参与祖国建设。孩子振理也就由杨佳蓉照顾。
1958年，二机部九所成立。钟培林、王怀民、黄凯华还有哈工大的年轻教授、炸药学家、空气动力学家彭雄飞等科学家们来到九所陶志纲也被调入九所，给科学家们做保障工作。科学家们知道自己将参与硏发新中国第一枚原子弹，情绪高涨。钟培林的女儿钟心也回国加入了九所，彭雄飞对钟心心生爱慕，但钟心却对不冷不热的王怀民青眼有加。只有陶志纲这个大老粗对钟心这个“资产阶级小姐”处处看不顺眼。
苏联派来专家团队为九所提供帮助，但关于原子弹的相关资料却吝于透漏，甚至连答应好的模型也无法兑现。眼看着硏发的进展缓慢，王怀民为首的科学家们悄悄成立了自主研发小组。苏联专家将原子弹试爆地点选定在敦煌，在那里只能试爆极小当量的原子弹，根本无法满足中国的需求。面对苏联专家对中国核武器事业的有意压制，中苏科学家之间的关系恶化。
1959年6月。苏联单方面撕毁与中国的原子弹合作协议，专家团撤走并烧毁了所有无法带走的资料。情况的突变让九所的一些同志们开始动摇，但不久就传来国家决定自主研发原子弹的消息，这让科学家们深受鼓舞。自力更生之路是艰难的，第一个难题就是确定理论设计方案。王怀民主张的“内爆式”方案新颖却充满未知，黄凯华主张的“枪法式”方案有其他国家的成功先例在前获得了包括彭雄飞在内的更多科学家的支持。钟培林便让两个小组同时展开研究，公平竞争。结果彭雄飞在关键时刻“反水”，转而支持王怀民的方案，使王怀民的方案被最终敲定。虽然自已的方案没有被采用，但黄凯华仍然坦然接受，而与书店美女店员江水宁的邂逅，也让他陷入对美好爱情的向往。爆轰实验成功后，九所同志们开始整体向青海221基地搬迁。
正是三年自然灾害最严酷的时刻，科学家们克服重重困难坚持研究，期间有人离去，也有同志牺牲。杨佳蓉早已加入这一神圣的队伍，为了研究基地水质问题，给科学家们提供可以饮用的水源而病倒。王怀民悉心照料，两人互生情愫。
研究工作的困难在高层引发了争论，有人建议停止研发核武器把资源留下来建设国计民生，中央派方明将军带调查团抵达221厂进行可行性调查。基地的所有科学家们全部被调动起来，大家从各个方面努力，向将军证明可以把原子弹搞出来。可是这些自发的证明大都适得其反，再加上调查团中一向看王怀民们不顺眼的丁向军从中作梗，情况更是变得乱七八糟。但同志们的努力都被将军看在眼里，终于，原子弹的研发可以继续下去。杨佳蓉因有一个在台湾的叔叔而被调查，为不牵连爱人有意疏远了王怀民，这令王怀民感到费解。而钟心与陶志纲这对欢喜冤家，却发展出了不一样的情意。