上世紀50年代，美蘇兩國進行核軍備競賽，整個世界都籠罩在核戰(zhàn)爭的陰云中。美國不斷對我國進行核威脅和核訛詐，這讓中央下定決定研究我們自己的原子彈。于是，尋找合適的核試驗場這個任務，叫到了張司令員手中。但他提出要找回自己兩個老部下，何玉山，徐遠征來完成光榮的任務。
此時，剛從朝鮮戰(zhàn)場上回國的何玉山正在和自己的家人團聚，而徐遠征更是在部隊里正舉辦著自己的婚禮。然而大喜之日，兩人都接到了秘密任務，讓兩個人到指定地點待命。無奈之下，徐遠征只得告別了自己的妻子林玉潔和孩子趕往總部。而在新婚之夜，何玉山為了不暴露自己執(zhí)行任務的行動，只得與自己的新婚妻子林儒丫不告而別。
何玉山在華北某地趕上了最后一批回國的志愿軍戰(zhàn)士的列車，短暫交接后，何玉山和這批戰(zhàn)士乘著列車繼續(xù)行進，并在北京某車站停靠，大喜的日子被命令執(zhí)行任務，心里本來就不痛快的徐遠征沒想到在這里看到了老冤家何玉山，兩人只是互相敬了個禮，就分別上了車廂。
列車一路向西，來到了甘肅，張司令早就在這里等著何玉山的到來。何玉山將部隊交給徐遠征原地待命，自己來見張司令，張司令告訴他，國家決定要搞自己的原子彈，而他們的使命就是找到一塊合適的原子彈試驗靶場。而這里離附近居民和莫高窟遺址太近，他們現(xiàn)在最迫切的任務就是向羅布泊方向尋找另一塊合適的靶場。
何玉山和張司令來到原地待命的部隊當中，給二人布置了任務，他們首先要在羅布泊附近找到水源，這樣才能駐扎下去。徐遠征好奇這任務到底是什么，但張司令員卻沒有告訴他實情，只是讓他不折不扣的執(zhí)行命令。就在兩人來到進入戈壁的同事，兩個人的家里卻各有苦辣酸甜。林玉潔有孕在身，還要照顧兩個兒子，分外辛苦。而徐遠征的不告而別，讓新婚妻子林儒丫每日以淚洗面。
何玉山和徐遠征帶著部隊徒步幾晝夜，卻連水源的影子也沒見到。部隊出發(fā)前所帶的飲用水早就何況，有的戰(zhàn)士在行進途中犧牲了，部隊陷入了巨大的困境。幸好，張司令員帶著大部隊及時趕到，讓部隊擺脫了危機。在張司令員的帶領下，部隊終于找到了優(yōu)良的試驗靶場，何玉山和徐遠征親自打下了地標。部隊又迅速開拔在附近尋找生活區(qū)。
部隊又行軍了幾百里，前方終于出現(xiàn)了一片綠色，而一名眼尖的戰(zhàn)士發(fā)現(xiàn)，此處不但有樹木，還有盛開著的馬蘭花。張司令對部隊的戰(zhàn)士們說，馬蘭花生命力極為頑強，有一點水就能夠存活，他當即決定將這個地方命名為馬蘭村，并命令部隊在這里安營駐扎。
部隊安頓下后，徐遠征的警衛(wèi)員發(fā)現(xiàn)，何玉山和徐遠征從不主動說話，便找到何玉山的警衛(wèi)員打探究竟。何玉山的警衛(wèi)員告訴他，兩個人曾經(jīng)為了抗美援朝中的一場戰(zhàn)斗產(chǎn)生了芥蒂，當時何玉山負責后勤彈藥補給，在一場戰(zhàn)斗中，徐遠征判斷他的團是敵人主攻方向，要求何玉山將彈藥都給他們那個團，但實際上敵人只是佯攻，真正的主攻方向是何玉山同鄉(xiāng)郭玉柱那個團，最終，郭玉柱團長因為缺乏彈藥而犧牲，也因此兩個人結下了梁子。
在這樣艱苦的條件下，部隊的戰(zhàn)士們都想知道他們執(zhí)行的是什么任務，徐遠征也一樣。張司令召集部隊中層干部開會，告訴大家國家要研制原子彈的消息后，徐遠征非常高興，第一時間回到部隊告訴了戰(zhàn)士們這一神圣使命。
部隊大院內(nèi)，何玉山的鄰居項懷瑾和李一嬋是國外留學回來的科研人員，他們也分別接到了秘密使命，李一嬋已經(jīng)懷孕，但為國獻身的使命感讓她接受了這項任務。上級要求他們?nèi)蝿涨闆r要對對方保密。兩個人只得互相找了個借口，把唯一的女兒麗薩托付給林潔玉。不久之后，林玉潔也生下了一個女兒，自己即將面對的是獨自撫養(yǎng)家里這四個孩子。
何玉山被任命為實驗基地保障部部長，徐遠征被任命為工兵團團長。實驗基地隨即動工。在一次打靶試驗中，炮彈沒有響，戰(zhàn)士劉夢天上前查看，不小心觸碰了炮彈引信，劉夢天壯烈犧牲。張司令讓何玉山和徐遠征反省三天。經(jīng)過三天的反省，何玉山找到張司令，認為基地保障責任重大，自己實在干不好，想打退堂鼓。張司令卻當著他的面將戰(zhàn)士們叫到一塊，一起許下了駐扎馬蘭的誓言。
林儒丫來到徐遠征原部隊打聽徐遠征下落，但原部隊也不知道徐遠征去了哪里，情急之下的儒丫暈倒，被戰(zhàn)士小曾送到了醫(yī)院。小曾送醒來的儒丫回家，林母對小曾非常熱情，但就是查戶口的行為讓小曾不自在，坐了一會兒就告辭了。林濡丫知道母親這樣做是讓她忘了徐遠征，重新找個靠譜的男人。
深夜，徐遠征和戰(zhàn)士們圍坐在一起，和他們講自己和儒丫相識相愛的過程，年輕的戰(zhàn)士們聽到后都對他羨慕不已。可是，只有他自己知道，自己的不告而別對妻子多大的虧欠，妻子還會原諒他嗎？
麗薩和何玉山的兩個兒子建國、建軍相處融洽，她還專門讓建國、建軍品嘗父母從國外帶回來的咖啡。但是，三個孩子將近一年沒有建過自己的親人，咖啡再好喝，也比不上擁有父母的溫暖。弟弟建軍看到大院內(nèi)有人在做爆米花，自己也想吃，身為哥哥的建國下決心要讓弟弟吃到爆米花。
張司令告訴何玉山和徐遠征，上級同意他們帶家屬來新疆。兩個人自然非常高興，可一想到自己連個像樣的住處都沒有，怎么給老婆孩子住呢？當然，這種事，最后還是落在了保障部長何玉山的身上。
一年沒有回到家，何玉山一進門，就和兩個兒子抱在了一起。而此時他發(fā)現(xiàn)，他走時還只有“兩個半孩子”，如今卻有四個孩子，聽到麗薩是項懷瑾和李一嬋的孩子，何玉山熱情地向麗薩打招呼。但是見到闊別已久的妻子，何玉山卻一時說不出話來。
建國在學校用炮仗里的火藥制作了引信，把一茶缸棒米花放在汽油桶里，想自己做爆米花給建軍吃，只聽“砰”的一聲，爆米花漫天飛舞，因為動靜太大，驚動了校長，校長將何玉山找了來，狠批了一頓。但一出門，何玉山卻又抱著兩個兒子親了起來。何玉山太久沒見到孩子，他對孩子的愛和思念，遠遠大于對他們淘氣的責備。
深夜，何玉山告訴妻子，首長同意他們?nèi)胰バ陆螡嵱駬暮⒆觽兊搅诵陆畷贿m應，何玉山告訴妻子，小孩子，必須要吃點苦才能成長。
此時，項懷瑾和李一嬋正在北京的兩所不同的實驗室里忙碌地工作著，兩個人近在咫尺，卻從沒見過，也不知道彼此正呼吸著同一座城市的空氣。深夜，被各種公式困擾的項懷瑾回到宿舍，躺在床上，他拿出了臨行前和妻子女兒照的全家福，沉重的思念，也只有在寂靜的夜晚里才能得到宣泄。
林潔玉再次將麗薩托付給了鄰居，這讓麗薩覺得自己就像是包裹一樣，被人甩來甩去。林潔玉告訴麗薩，也許她的父母很快就能回來，所以她一定要留下來，等著自己的父母能夠找到她。何玉山一家到達新疆茫茫荒漠之中，在去往基地的路上，遇到了罕見的大風沙，何玉山不得不下令暫時停止前進，這時建軍卻在卡車里被風沙卷了出來，建國和林潔玉在風沙中聲嘶力竭地呼喚著建軍的名字，但最終建軍卻永遠離開了他們，全無蹤跡。風沙漸漸停了，張司令員命令何玉山馬上返回，軍令如山，他只能帶著哭泣的建國和妻子返回基地。