1938年，這時候孫家棟還只是個孩提，卻已經有了遠大的夢想。那年冬天雪下得很大，一輛國際列車穿越中蘇邊境駛入滿洲里火車站，只有少數人知道這間列車里載著一件不一樣的禮物。1958年，孫家棟從夢中醒來。他時常夢見去滿洲里接導彈的場景，這次還真的看見了，就跟看到初戀的感覺一樣。陳主任交給了孫家棟一件任務，他去蘇聯留過學，蘇聯專家缺一個過硬的翻譯，所以陳主任推薦了孫家棟。孫家棟要給蘇聯導彈專家蓋杜柯夫做翻譯，聽到這個名字他已經躍躍欲試。
孫家棟去給蓋杜柯夫做翻譯，他為人挑剔已經換了好幾個翻譯，大家都很擔心孫家棟行不行。孫家棟的表現很出色，他專業知識過硬，還指出了蓋杜柯夫的錯誤，蓋杜柯夫非但沒有生氣，還認可了孫家棟，原來這是他的考驗，孫家棟被留了下來做蓋杜柯夫的專職翻譯。一日，戰士們突然集合，孫家棟也在其中。他第一次見到了真正的導彈，情緒十分激動。蓋杜柯夫來這里給大家上課講解這顆導彈，聽到可以打擊一萬公里以外的目標，大家十分不敢相信。孫家棟偶然見到老相識安德烈熱情打招呼，安德烈卻完全不理會。
1960年。今天的課突然取消了，后邊的課也全部取消了，孫家棟一臉納悶，不明白究竟是為什么。孫家棟去見了蓋杜柯夫，安德烈拒絕道他身體不舒服，并將他拒之門外。孫家棟很是不能理解為什么這么做，所以兜了一大圈子去見了蓋杜柯夫。蓋杜柯夫坦白兩國出現了一些問題，蘇聯專家會全部撤走，他很欣賞孫家棟，還想帶他去蘇聯繼續導彈任務，但孫家棟卻拒絕了，他在蘇聯留學是因為要學習知識報效祖國，他沒有理由離開這片土地。蓋杜柯夫被打動，讓孫家棟帶著同事來，他會在離開前把所有的知識都教給他們。
蘇聯專家離開這一天為他們舉辦了回國儀式，蓋杜柯夫留了一份禮物給孫家棟，他走后就有人交給孫家棟。安德烈卻挑釁孫家棟，他們不可能造出真正的導彈。孫家棟想到了1956年，蘇聯母校為他授予大林獎章的那個時刻，如今看著這枚獎章，孫家棟內心十分復雜。安德烈沒爭到這塊獎章，所以才一直記恨孫家棟，孫家棟也不驕傲，什么時候拿了自己國家的勛章才是真本事。蓋杜柯夫留下了一張圖紙，不過缺少了最關鍵的一部分，但陳主任不想半途而廢，再難也要繼續做下去。
孫家棟常常在圖書館學習到深夜，一天晚上被錢學森錢院長發現了。二人都被鎖在了圖書館里，錢學森阻止了孫家棟跳下去，還記得他的名字，讓他所說最近工作的困難。孫家棟坦白蘇聯專家走后留下了很多難題，錢學森給了他一個解決辦法，用反設計，也許就能造自己的導彈了。錢學森堅信，未來世界甚至是在太空的。
孫家棟連忙找來同事們連夜計算，終于找到了解決問題的辦法，補上了兩頁圖紙，陳主任十分欣慰，并且宣布國產燃料已經合格，現在萬事俱備只欠東風。在孫家棟等人的共同努力下，導彈研發成功并成功發射。同事給了孫家棟一張照片讓他去相親，孫家棟一開始拒絕說沒有時間，可看到照片那一刻卻愣住了。孫家棟和魏素萍的相遇，是二人各自拿著一份報紙，卻張望著手中照片上的相親對象。魏素萍率先找到了孫家棟，落落大方地和他一起逛街。這段時間孫家棟和魏素萍通了幾十封信，魏素萍追著孫家棟問他們的事情看法，孫家棟自然十分滿意，魏素萍也是。于是，二人結婚了，在同事朋友的見證下辦了一個簡單卻隆重的婚禮。
結婚后，孫家棟送了魏素萍一份結婚禮物，是他的獎章，還有他的全部家當，這些就是他的全部，魏素萍笑著收下，掌握了家里的財政大權?。1962年，東風二號完成了出廠驗收，陳主任安排包括孫家棟在內的人去配合發射工作，東風二號連螺絲都是自己生產的，大家揚眉吐氣了一番。酒泉衛星發射場，發射場工程隊的隊長李東海騎馬來接他們，他是從朝鮮戰場上下來的，一條胳膊留在了長津湖，干起活兒來不要命，脾氣大嗓門大，是因為耳朵在戰場上震壞了。
孫家棟開始了對東風二號的檢查工作，還沒開始他就發現了保險絲頭的異樣，并且排查了所有的安全隱患，要求把老鼠洞都堵上。李東海不愿意，發射日期是有要求的，何況在戈壁灘上哪里來的老鼠，要和基地領導匯報，還把他們趕了出去。同事覺得李東海是軍閥作為，認為應該和上級反映這個問題，可孫家棟一臉淡定地去找了李東海。他抓到了一只老鼠，蘇聯就發生過這樣的事情，李東海見狀突然拋出去嘔吐，孫家棟以為他怕了，卻不想是因為長津湖戰役打到最后一戰，因為沒有口糧，上上下下全靠挖地耗子吃，連續吃了一周。孫家棟肅然起敬，他們都是值得敬佩的英雄。李東海返工了，不僅如此還幫孫家棟抬水，孫家棟明白，他不是一個小肚雞腸的人。
在孫家棟和李東海等人見證下，東風二號順利點火發射沖向太空，可令人意外的是，轉眼導彈便墜落在地，掀起一片灰塵。孫家棟拖著身體上前，不顧危險要去查看問題，李東海等人追著他阻攔。導彈墜落帶來了一個巨坑，孫家棟跑到那個坑跟前，看著燒為灰燼的導彈碎片，竟不知該作何反應。孫家棟他們一一撿著剩下的細小零件收起來，這次失敗的打擊，遠遠地大許多。孫家棟他們一直在那里挖東西不肯回來吃飯，李東海沒辦法就帶人給他們送飯過去，他當初也是帶兵打仗的人，可現在飯送到嘴邊都指揮不動這些人。孫家棟他們怕晚上風沙大把零件吹跑了，沒時間更沒心情吃，李東海也實在沒辦法只能配合他們把東西拉回去，晚上更是直接帶人去幫他們挖零件了，孫家棟帶人十分感動。
導彈發射失敗，蔣介石的偵察機來拍照片，落后就要挨打，孫家棟心里很難不著急。錢學森不遠千里趕了過來，導彈發射失敗他比誰都著急，大家都以為錢學森是來興師問罪的，孫家棟主動承擔責任，但錢學森并不是來追究責任的，甚至。要說責任，首先是他的。失敗很痛苦，但也很正常，如果一失敗就鬧情緒就沒有以后的。錢學森鼓勵大家不要害怕失敗，經過失敗才會變得更聰明，更強大。
錢學森想聽聽孫家棟的意見，孫家棟認為沒有重視系統協調，建議從總體方案入手。其次孫家棟認為這次失敗也和東方一號發射太順利有關，大家被勝利沖昏了頭腦過于樂觀了。未來的路還有很長，我們必須腳踏實地地走好每一步。李東海經常帶著戰士們出去打獵，小孟在其中一次受傷了了。有個戰士偷拿了兩個羊肉包子，炊事班讓李東海評評理，李東海很生氣地要管他禁閉，戰士很難過地道出原委，小孟快不行了，他就是想讓他臨走前吃口葷的。工程隊的飯沒有一點油水，小孟的病號飯也是，他們打獵帶回來的獵物都要先保證技術人員，如果不是因為打獵，小孟又怎么會摔得那么慘。孫家棟連忙拿了幾個包子給這名戰士，可他們趕到醫院時，小孟已經去世了。
李東海在小孟墓前吹起了口風琴，想起那年冬天和小孟一起打仗，后來又一起來了大西北，小孟要和他學口琴，說回家就能給姐姐聽了。李東海答應小孟等導彈發射成功就把口琴送給他，可是他們都沒有等到。他們的犧牲是心甘情愿，李東海明白，活著的人要為死去的人爭氣，不能讓他們白死。孫家棟心情復雜，表示他們一定會帶著新的導彈回來的！離開時，李東海又騎著馬送他們，雙方嚴肅莊重地以軍禮送行，背后包含了許多無法言喻的信仰。
孫家棟歸來時，和魏素萍的兒子已經出生一段時間了，這段時間孫家棟全然無蹤，連兒子出生都不在，魏素萍很難不埋怨，但是孫家棟的工作是保密的，魏素萍也可以理解。兒子亮亮傳來了哭鬧聲，孫家棟連忙進去看兒子，魏素萍把亮亮抱給他，她已經三個多月沒出過門了，現在孩子交給了孫家棟，她要出門逛街去了。實際上，魏素萍是去買菜給孫家棟做菜了。
第三十七次小組故障分析會。孫家棟總結了故障原因，這是一次最慘痛也是最寶貴的教訓，錢學森說我們一定要把故障清零，把它徹底消失在地面上。1964年。孫家棟他們總結教訓后重新回來了，李東海再一次為他們帶路。這段時間，李東海不斷告訴自己永遠不能馬虎，這次是隨便檢查！導彈即將發射，李東海和孫家棟激動不已，同時也惴惴不安。導彈點火發射成功，孫家棟喃喃道，這次我終于能吃上那包糖了。導彈準確擊中目標，我們成功了！
聶帥打報告組建了空間技術研究院，讓錢學森做院長，大家穿上軍裝起碼多一個保護，聶帥還希望如果自己不在這個崗位上了，錢學森要負起東方紅一號的責任。他們需要一個新的總體設計負責人，錢學森推薦了孫家棟。國防科委參謀胡啟正來給孫家棟送中央科技研究員調令，主要任務是研制國家第一顆人造衛星，兩天后報道。孫家棟十分激動，好友也激動不已，二人一同拿出了一張報紙，是當初蘇聯人造衛星登上太空的新聞，那時候他們就想，什么時候我們國家也能有自己的衛星啊。飛向太空是人類幾千年來的夢想，蘇聯和美國能做到的，我們也一定能做到！
孫家棟來到研究院報道，錢學森準備了很多資料，孫家棟早已看得入迷。錢學森讓孫家棟說說工作的困難，孫家棟說最重要的是時間，但1970年發射衛星，這個時間不能變。孫家棟認為三年時間遠遠不夠，錢學森讓他去找幫手，只要是衛星發射方面的人才都可以大膽的去找，并表示有什么困難他都可以幫忙。孫家棟找來了好友，還有許多衛星制造方面的專家，復合材料的專家陳希遠卻遲遲未到，他脾氣詭異，但孫家棟認為他是個有能力的人，于是找到了他的地址。
孫家棟希望陳希遠去工作，陳希遠認為把衛星送上天太難了，他們遠遠不能夠做到，但孫家棟說靠的是智慧和勇氣。陳希遠讓孫家棟陪自己再打一次乒乓球，贏了就答應他。于是，陳希遠正式加入了研究院，與其他十七名專家并稱十八勇士。大家一起討論問題，常常會有意見不統一的時候，這個時候一場球賽成了勝負的關鍵。十八人組成的科研團隊忙碌的工作著。大家每次開會都會吵架，但是越吵反而問題越少。不過吵架不能解決全部的問題，我們不是對手，是隊友，在孫家棟的凝聚力下，十八人早已成為了一家人。
衛星需要的零件很難生產，系統也很難，三年的研制期限實在太短了，孫家棟卻告訴大家自己小時候很喜歡吃糖，家里房梁上總放著一包糖，他怎么夠都夠不到，后來把棉衣脫了輕裝上陣如愿以償地吃到了糖。所以，孫家棟提出主攻衛星的本質任務加快研發速度，三年是有可能的。這個想法得到了許多人的認可，孫家棟也早就報上去了。果不其然，這個方案把科學院的人氣個半死，孫家棟結結實實捅了個馬蜂窩，但錢學森很是淡定，孫家棟是踏實的人，他不是沖動，他也想看看孫家棟會如何處理這件事情。
孫家棟為方案四處奔波找洪主任，無意中得知他們幾個人在一起研究孫家棟的方案。孫家棟進入會議室，想把這件事情和大家說明白。