在上個世紀60年代，在緊張的國際形勢下，中國第一顆原子彈終于研制成功，隨著壯麗的蘑菇云騰起，舉國人民無不歡騰鼓舞，無數熱血青年紛紛立志投身在毛主席的號令中，穿越崇山峻嶺來到大西南，為國家的原子彈事業做貢獻。故事就發生在中國大西南研制導彈基地。
在站臺，隨著火車的緩緩駐停，一名熱情如火，青春洋溢的小姑娘陸若文（蘇青?飾）高興地從列車上下來，向等候在那的導師高占武（任程偉?飾）匯報情況，陸若文匯報完情況，故意向高占武說自己已經得到調令，可以去基地上班了，她的小伎倆被高占武識破，高占武讓她拿出調令，陸若文看到謊言敗露，于是百般給他說好話，但高占武堅決不肯把她留在這里，還讓她去候車廳休息，然后隨著火車返回。
一同下火車的向晴（練束梅?飾）看到陸若文遭到高占武的回絕，想替陸若文求情，忽然看到大學同學張利軍（楊爍?飾）來接她了，和老同學重逢，向晴興奮地抱著張利軍，還給他戴上了一頂新帽子。張利軍，軍人子弟，是個一身熱血的大學生和火箭工程師，性格桀驁不羈，率性而為。他將自己的好朋友馬朝陽介紹給向晴認識，聽到她說陸若文也來了，兩個人飛快地跑到調度室。
調度室里，陸若文向她的大學同學張利軍和馬朝陽哭訴，如果誰能讓她留在基地，自己就嫁給她，張利軍和馬朝陽想向高占武求情，沒等他們開口，高占武直接告訴他們，誰想跟著她，可以隨時回去。??兩個人也沒有辦法。
調度室里的調度員姜又發看到陸若文哭紅的眼睛，告訴她，自己有辦法讓她混進基地，陸若文便聽了姜又發的辦法，偷偷鉆進運往基地的卡車車廂，蒙混過層層警戒。基地王副主任發現火車剛到站，基地就出現了敵方電臺信號，為了不打草驚蛇，沒有大肆聲張。第二天，張利軍把基地的同事劉連柱和他的愛徒梁玉強都給向晴介紹了一下，向晴覺得車間的劉連柱師傅冷冷冰冰，張利軍卻告訴她，這個師傅在制造火箭方面是全能，大領導來了都要給他倒水。無意中聽到張利軍喜歡陸若文，向晴沒好氣地拿回了自己的帽子。
倉庫的同志發現了凍暈里面的陸若文，趕緊匯報給了上級，擔心情報泄露，上級立刻決定對陸若文實行隔離審查。在調查室，陸若文一口咬定沒有人幫她，全部是她自己一個人混進去了，接著還說出了基地各個部門的工作內容和作用，連各個部門的編制都摸的一清二楚，為了防止她說出更多的機密，徐處長立刻讓人把她關進了監獄。
基地的王副主任驚訝一個小小的陸若文竟然知道這么多秘密，于是向高占武興師問罪，高占武告訴他，自己并沒有泄密，恰恰相反，這個陸若文在制作導彈方面的知識很淵博，但由于她資本主義小姐的身份所以遲遲沒有被調進基地，自己也正在做工作讓她以合法的方式調回這里工作。王副主任了解到當天接觸到陸若文的只有馬朝陽和張利軍，因為馬朝陽當晚就探親回家了，所以鄭重調查了張利軍，張利軍完全否定了私自幫助陸若文的事情，還說關系到國家安全的事情，自己是絕對不會含糊的。
接著王副主任向基地的司令員匯報陸若文的處理意見，他和政委都決定要把陸若文移交軍事法庭處理，司令員沒有異議，還建議他利用這件事好好教育基地的年輕人做好保密工作。張利軍聽到這個消息生氣地責備高占武見死不救，高占武思來想去，只好帶著向晴到基地的司令部。見到自己的司令員父親，向晴向他陳述了陸若文的事情，沒想到一直鐵面無私的父親還是堅持自己的處理意見——將陸若文移交軍事法庭處理。張利軍想摸黑混進監獄，沒想到被警衛員抓個正著，基地四處守衛森嚴，張利軍只好作罷。
向晴向自己的父親講了火車上她和陸若文相識的經過，陸若文給她講的自己的志向和抱負，她告訴向晴，自己那么勤奮好學，到頭來只是因為政治出身等等問題被研究基地拒之門外。那一晚，司令部的燈火徹夜未熄，這注定是個不眠之夜，高占武，向晴，張利軍都在為陸若文的命運而努力。
第二天上面下達了將陸若文轉移監獄的命令，司令員一早來到監獄門外，他再次問陸若文是怎樣知道基地的編制和各部門的工作情況，陸若文告訴他，因為自己所學的專業告訴她，要想研制導彈系統，必須有這些部門做基礎，即使自己被關進監獄，等到十年二十年自己被釋放之后，依然會再次學習自己的專業，實現自己的夢想。司令員聽了很感動，覺得像這樣有志向的年輕人不可能是特務，于是重新向上級發出申請，讓陸若文回到基地做研發工作。
陜西南部，馬朝陽回到自己老家，原來是父母讓他回來和張蘭成親的，張蘭是他們家的童養媳，這些年馬朝陽求學在外，他父親中風幾乎不能行走，家里全是張蘭一個人照顧。馬朝陽心里有了陸若文，并不同意這樁包辦婚姻，但他的父母覺得不能對不起張蘭，于是硬逼著他答應。
陸若文終于來到了基地工作，看到嚴謹整潔的工作環境，忙碌又專心的科研人員們各司其職并且有條不紊，陸若文內心滿滿的振奮，她感激地告訴向晴，是一個說著四川方言的老軍人救了她，向晴竊喜——那不是自己當司令的爸爸嗎，她問陸若文和張利軍到底是不是情人關系，陸若文鄭重告訴她，“導彈不成功，火箭不上天，自己是不會談戀愛的“。
列車再次停靠在站臺，基地的同志已經摸清了規律，只要一有火車停靠此地，敵方的電臺便會有信號發出，于是趁著這次機會一舉展開搜捕，終于他們發現了調度室里的牛三原來是特務。首長來到基地視察情況，看到自己的帽子被向晴偷偷送給了張利軍，自己已經明白了，基地的領導同志對首長給他們帶來的陸若文很滿意，覺得她的能力很強，剛來幾天就做出了成績。
陸若文自從來到基地，對張利軍愛理不理的，并且刻意保持距離，她告訴馬朝陽，今后要繼續和他保持純潔的同學關系，直到他們實現自己的理想。沒過幾天，馬朝陽就從老家回來了，看到陸若文也在基地，開心的不行，張利軍故意告訴他，是自己幫的陸若文，馬朝陽吃了張利軍的醋，兩人開始互掐起來。張利軍覺得自己和陸若文是門當戶對，讓馬朝陽早點給他們騰地方，馬朝陽一改常態，竟然答應要退出，不跟他爭了。
基地召開諸葛亮科技會議，火箭專家當眾點名表揚了張利軍編制的裝備手冊，和馬朝陽推廣的統籌方法，這些舉措都非常實用，司令員也對他們的發明非常贊賞，號召眾多科研人員發揚臭皮匠精神，讓祖國的導彈事業早一點躋身世界前列。所有參加會議的人員熱血沸騰，紛紛挽起袖子，準備為祖國的昌盛大干一場。
會議中，部長們憶苦思甜，告訴在場的所有年輕人：以前國家寄希望于蘇聯能夠幫中國實現導彈上空的問題，可是沒過多久，蘇聯卻撤走了所有的專家和材料，他們以為這是給中國致命的一擊，但僅僅過了半年時間，導彈卻真的上空了，這說明中國人的智慧，中國人的才識絲毫不比外國人差。一時間掌聲雷動，在場的所有人被部長的講話感染，對基地的未來更加有了信心。
火箭在研制的過程中發現了新的難題，由于加溫設施沒有跟進，導致火箭的動力大大降低。知道了這個軟肋，經過幾個夜的凝思苦想，陸若文發明了一個空氣加溫器裝置，她拉著向晴去給上級匯報，沒想到辦公室里領導們正在開會，在首腦的機要會議上，幾個領導對她們的發明贊不絕口。隨后命令陸若文當研發小組組長，讓張利軍做副組長，一起研究在導彈中加設空氣加溫器。
食堂的飯桌上，因為追求陸若文的事情，張利軍責怪馬朝陽不守信用，說好的要退出，可一看到陸若文又禁不住開始表現，他故意嘲笑馬朝陽不識斤兩，賣弄學識，忽然聽說馬朝陽真的直接破格被評為工程師，醋壇子打翻了，連飯都吃不下了，馬朝陽安慰他，今后有的是機會，這僅僅是第一批，聽到這些，張利軍又轉嗔為喜，接著回去端碗吃飯了。
大梁在制作火箭材料時不小心廢了一塊料，劉連柱師傅直接讓他罰跪，陸若文看不下去了，要拉著大梁站起身，劉連柱并不應允，兩個人開始僵持不下，陸若文哭著給高占武報告，高占武卻覺得劉連柱沒有做錯，廢了一塊料相當于用掉老百姓整整一年的口糧。陸若文知道自己錯了，趕緊央求高占武幫自己打圓場。
在加工空氣加溫器過程中，張利軍和陸若文相互協助，工作進展地很順利，陸若文讓張利軍幫自己做一個鏡子，張利軍也總能積極實施，兩人配合得幾乎天衣無縫。院長觀摩完他們的科研成果后，決定第二天開始實戰打靶。
到了晚上，實驗室的同志們提前為陸若文準備了慶祝晚會，他們惡作劇的在氣球里放上了各種懲罰的紙條，有人抽到了為全車間的人打一星期開水，有人抽到了為車間的人削一個星期鉛筆，張利軍抽到的是學狗叫，而陸若文抽到的是演唱一首“喀秋莎”歌曲，聽到她甜美的歌聲，馬朝陽深深陶醉其中，他決定退掉父母包辦的婚姻，于是在晚上夜深人靜時給張蘭寫了信，信中他告訴張蘭，自己只想把她當妹妹一樣照顧，因為他們之間沒有共同語言，所以覺得他和張蘭的結合是不會幸福的。