2019年秋，長沙。袁隆平的三個孫女來到他的稻田里為他唱歌，慶祝他的九十歲生日。袁隆平研究水稻已經(jīng)六十年了，饑餓一直是世界問題，這也是他研究水稻的原因。1960年，湖南井岡山，全國農民專家育種大會，袁隆平跟隨小組組長王貴一起展示成果。袁隆平培育出了西紅柿和紅薯，并去拜訪了金老師，金老師卻認為這是無性雜交的成果無法通過種子遺傳。金老師說如果袁隆平愿意搞水稻，他可以分四粒給他，不過袁隆平一直研究的是紅薯，也怕浪費了。
1960年深秋，湖南安江農校。王貴想把袁隆平樹立成全國農業(yè)典范，讓他寫一份材料。袁隆平忙了一晚上，寫的卻不是評典型的稿子，而是實驗失敗的論文。王貴看到這份稿子很生氣，他得了那么多獎，現(xiàn)在卻宣布這是個失敗的實驗，這不就是欺騙嗎。袁隆平認為嫁接一代沒有失敗，只是嫁接二代失敗了，及時總結經(jīng)驗沒有問題。王貴還是不允許判失敗，說科學的道路不是一帆風順，要對國家負責，對人民負責，對未來負責。
袁隆平一個頭兩個大地走出辦公室，突然覺察到什么連忙跑回去，發(fā)現(xiàn)論文已經(jīng)被王貴撕了。袁隆平心里郁悶，拉著胖公說要去干一件誠實的事情，他要阻止王貴，把論文貼到情報墻上去。論文袁隆平有備份，胖公勸他別去當那個冒失鬼，這事兒他是不會陪袁隆平去干的。話雖這么說，胖公還是陪著袁隆平去了，大晚上打著手電幫他貼論文。那天晚上，袁隆平忽然想起了老家，想起了母親，還有母親的教導。母親說天上對應的都是有名望的人，要成為一個有名望的人，首先要成為一個善良、誠實的人。
次日，袁隆平的論文引起了大家的憤怒，王貴說是自己讓袁隆平貼的，大義凜然說公開有利于大家互通有無，不能一言堂，胖公聽得云里霧里，實在想不明白袁隆平葫蘆里賣的什么藥。袁隆平給金老師寫了封信，但他一直沒有回，胖公批評他太冒失了，金老師現(xiàn)在的情況他也不是不清楚。王貴讓人把袁隆平的試驗田收回去了，許多人勸袁隆平去給王貴認個錯，好漢不吃眼前虧。袁隆平給金老師的信被退回來了，胖公推理半天說這封信被人動過手腳，幸好這里面就是問候沒被抓到把柄，但看得出來金老師麻煩不小心，應該已經(jīng)被調離崗位發(fā)配到勞改農場了。袁隆平懊惱不已，后悔當初沒把種子拿回來。
袁隆平?jīng)]想到胖公對金老師的判斷絲毫不差，更沒想到接下來發(fā)生的事情完全出乎意料。公告欄里貼了好幾張大紙，全都是對袁隆平的批判，隨后袁隆平被調離崗位，指派去勞改。袁隆平是國家解放后培養(yǎng)的第一批大學生，說不讓自己學有所教是浪費，王貴卻說這是集體決議。袁隆平提出了兩個條件，一是讓胖公接替自己的崗位，二是要在走之前把最后一節(jié)課給同學們上了。
袁隆平深夜在籃球場發(fā)泄，學生鄧哲走來說全班同學都被教務處談話，要他們誰都不能去上袁隆平的課，否則就會被開除。鄧哲想告訴袁隆平，其實大家都很喜歡他的課。胖公一直在調查那個正人君子是誰，袁隆平走前讓他照顧好自己的東西，還要看好他的小提琴，最重要的是看好農二班的學生。胖公把自己最珍貴的手電送給了袁隆平，王貴特意喊話叫袁隆平好好改造，說等著他進步的好消息。
袁隆平不予理會，卻在聽到鐘想時突然跑回農二班，在無人的教室上了自己的課。很小的時候母親就教他學英文，那是在抗戰(zhàn)路上遇到日軍轟炸，那時候他很小，親眼目睹日軍暴行，媽媽為了撫慰他便給他念英文詩。開始袁隆平以為母親僅僅是教他學英文，長大后才發(fā)現(xiàn)，母親在傳授一門獨特的遺傳育種學。這變成袁隆平的一部分，變成這個天天向前走的孩子的一部分，這個天天向前走的孩子，還會繼續(xù)向前走。拿起行李繼續(xù)趕路，卻發(fā)現(xiàn)學生們就站在路的兩旁，其中也包含著鄧哲。
雖然被調離了崗位，但袁隆平并不后悔，從那天起他開始了自己的畢生追求，讓人類永遠告別饑餓。那天袁隆平高估了自己的體力，帶的菜餅已經(jīng)吃完，抄近路差點淹死在江里，等上岸時已經(jīng)一點力氣沒有了。袁隆平在路邊昏睡過去，醒來時聽見有人在喊自己的名字。是之前助農時認識的人家，水生和兒子大毛，二人拿了餅子和水給袁隆平充饑。袁隆平住在了他們家里，大毛的爺爺廣田叔臥病在床，就想吃口大米飯，但現(xiàn)在哪里有啊。
水生睡下后偷偷告訴袁隆平，廣田叔猜得沒錯這屋子里有米，但是大隊里面的救命糧，要換種用。這里莊稼長得不好，所以每年驚蟄那天就去其他地方換，據(jù)說稻魂也在那里，所以長得好。夜里，屋頂?shù)穆曇趔@醒了水生，他拿起槍指向屋頂，對方便急忙走了。大毛的媽媽熬不住跑了，但他一直不愿意相信媽媽走了。廣田叔還是要吃米飯，說吃完了好上路，袁隆平在一旁聽著這些話，內心五味雜陳。
袁隆平端過湯勸廣田叔多少喝一碗，但他說肚子里沒有白米飯，沒法去見水生他媽。袁隆平冒雨挨家挨戶地討大米，但跑了很多戶人家都沒有結果。袁隆平把手電送給了大毛，他想起1936年，媽媽帶著他拜神農。驚蟄這天，袁隆平和水生去趕稻谷大集，臨走時廣田叔的腿已經(jīng)不腫了，但他知道自己的時間已經(jīng)不多了，所以囑咐袁隆平要給水生多掌掌眼，這是全村活命的指望啊。
稻谷大集上請來了東北的農學專家范世鋼，袁隆平急忙拿出筆記本記錄。拍賣稻魂時，袁隆平忍不住叫了價，而和他競爭的就是范世鋼。范世鋼聽說過袁隆平，說年前給紅薯王頒獎，他是評委之一。范世鋼拿出身上所有的三十八塊錢，袁隆平身上錢不夠，水生把身上的錢也給了他，用四十塊錢買下了稻魂。范世鋼很生氣，把兩只鋼筆也拿了出來，大毛舉起袁隆平送他的手電筒也押上了，成功拿下了稻魂。三人舉著火把回到家，見屋子里沒點燈，廣田叔已經(jīng)去了。水生在父親墳前哭得十分傷心，他說過，熬過了這個冬天就好過了，可是父親終究是沒等到。袁隆平想起廣田叔曾和他說，紅薯不能當口糧，水稻和麥子才是當家糧，所以勸他搞水稻，婁底將。袁隆平站在廣田叔墳前有種深深地負罪感，作為一個學農的知識分子，他覺得自己欠天下人一碗飯。
袁隆平做了一個縈繞一生的夢，那個神奇的夢境，稻穗好長好長，籽粒像花生一般大，看著就飽了。袁隆平不止一次地進入這個夢，為了它，他用盡了一生。袁隆平醒來后臉上有淚，他說這是開心，因為他做的禾下乘涼夢，他堅信，這個美夢會成真。袁隆平要去育苗蓬溪住，大毛突然喊袁隆平和水生去廣田叔墳前看，是天苗，就長在廣田叔的墳上。人們把秧苗稱為天苗，神圣不可侵犯，袁隆平開始堅信，比有一粒種子能使人們告別饑餓，他要去尋找這粒種子。
大毛還不會很多字，所以請袁隆平幫他給媽媽寫信，他稚嫩地說著想對媽媽說的話，卻不知道該往哪兒寄。袁隆平帶著大毛去把信燒掉，母親說過帶字的紙如果寄不出去就要燒掉。這天要拔天苗插秧，公社柳秘書卻來阻止，說明天陳部長要來指導，今天插秧明天人家指導什么？袁隆平不同意，媽媽說過，人誤地一時，地誤人一年，農人活的就是時令。袁隆平帶頭下地插秧，水生也跟著他一起，柳秘書氣得破口大罵。那天袁隆平忽然意識到，秧苗叫天苗并不僅僅因為它神圣，低頭插秧時，秧苗就仿佛長在天上。
大毛怕袁隆平會一輩子留在這里走不了了，袁隆平也怕，他怕做不了水稻研究，但他不后悔，因為知道挨餓的滋味，所以義無反顧地把水稻插到地里。第二天，陳部長帶隊下鄉(xiāng)巡視插秧工作，一個人找到了袁隆平。有人連夜整理了袁隆平的材料去告狀，但陳部長并沒有責怪他的意思，反而看到了在基層還有袁隆平這樣務實不浮夸的工作者，還叫他趕緊收拾東西回農校，要搞水稻研究，農校的條件肯定要比這里好的。
袁隆平和水生、大毛一同去看了廣田叔，叫大毛按照自己的記錄方法記下水稻。這段時間袁隆平一頓好飯都沒吃上，水生覺得有些抱歉，但袁隆平意識到大家碗里沒米應該抱歉的是他們這樣學農的人，面對鄉(xiāng)親們的告別，他說這次回去一定要找到像樣的米，找到了第一個送回來！走在回去的路上，大毛遠遠地喊話猜謎，謎底是米字。大毛說，我等著吃你的米。
回到農校，袁隆平開始盡心盡力地研究水稻，對他而言每一株水稻都像一個人，還會給每株水稻取名。在稻田工作的日子并不枯燥，袁隆平在這里，遇到了一株與眾不同的水稻。鄧哲叫袁隆平拍畢業(yè)照片，袁隆平卻看著她身后的水稻傻笑，袁隆平研究雜交水稻的歷程三次奇跡的發(fā)現(xiàn)中，這是第一次。袁隆平叫鄧哲解下扎麻花辮的繩子系在水稻上，給它取名道鶴立雞群。畢業(yè)班上，袁隆平拿著“鶴立雞群”的照片鼓舞同學們，說明年請大家一起回來目睹他今天的預言，一起見證鶴立雞群畝產(chǎn)千斤。袁隆平說，每一個人都是一粒種子，種子健康才能根深葉茂，碩果累累。
袁隆平走時說抽屜上了鎖，特意叮囑胖公不要看，胖公很好奇里面是什么，但袁隆平說現(xiàn)在還不能說。胖公覺得袁隆平今天的話有些冒失，還說也許那個正人君子聽到會去貼大字報。袁隆平不以為然，沒想到下一秒就被喊了過去，那位正人君子諷刺袁隆平搞千斤稻是瞎胡鬧。王貴借機逼袁隆平承諾搞千斤稻，不成的話就把他趕回去上勞動實踐課。
胖公還在排查正人君子的名單，袁隆平則干脆住到了試驗田邊上，期盼著能出現(xiàn)一個奇跡，后來的確出現(xiàn)了，西安剛出現(xiàn)的時候沒人以為是奇跡，袁隆平也是。1962年夏，正人君子又寫大字報批評了袁隆平，袁隆平也想不明白，即便達不到千斤鶴立雞群的種子也不該如此凄涼，他打破頭都想不明白。一年前袁隆平和大家約好回來見證預言，不過大家聽說結果很是傷感不想打擾，就派鄧哲做代表。鄧哲聊著天勸慰袁隆平，袁隆平很多年都后都記得這次談話，不過鄧哲卻不記得那天來過，只記得滿天風雨在傳，袁隆平因為千斤稻失敗，瘋了。
胖公急急忙忙拉著袁隆平，說要帶他去相親，袁隆平醉心于研究，被他生拉硬拽過去。媒婆帶著荷花已經(jīng)來了，袁隆平卻只是端詳著手里的麥穗，想鶴立雞群抽風的原因，和別人完全不在同一個頻道。胖公一個勁兒幫袁隆平說好話，袁隆平卻突然瞪圓了雙眸望著窗外頓悟道，它是雜種！媒婆和荷花人都傻了，卻見袁隆平跑了出去，還不忘趕胖公回去繼續(xù)相親。
袁隆平趕到試驗田，趕走了那些拔秧苗的人，計算出了兩種不同形態(tài)正好為三比一，說明鶴立雞群是雜交稻，袁隆平并沒有失敗，他成功了！奇跡出現(xiàn)了，袁隆平?jīng)Q定立刻去找金老師。臨行前，袁隆平見到了胖公的未婚妻，就是荷花。金老師已經(jīng)不住在原來的地址了，袁隆平偶然遇到師母在掃馬路才知道金老師在勞動農場。金老師的種子都被收繳封存了，不過他猜到袁隆平可能會來，就叫袁隆平去北京找鮑文奎，他會幫袁隆平的。鮑文奎原是金老師的學弟，袁隆平也沒有信心他會理會自己這樣一個偏遠農校的教師。站在天安門廣場，袁隆平久久不愿離去，他出生在這里，當時北京還叫北平，所以他叫袁隆平。
農科院外，袁隆平遇見了一幫民科，遇到了同是搞雜交水稻的大手老師，他自稱是鮑文奎的朋友。