1961年1月，從事基礎領域研究的研究員于敏突然被帶走問話，是關于他在國民黨后勤軍官的叔叔于振林的，因為他要照顧奶奶一家，于敏每個月都會給他匯錢。于敏被帶走后妻子孫玉芹急匆匆地帶著女兒去找領導老郝，問他是不是犯了大錯誤。老郝連忙去找了部長，他是絕對相信于敏的。在老郝和部長的保證下，于敏才能夠脫身。
于敏和孫玉芹一直在為出國留學做準備，為此還特地改了一身特別好看的西服。老郝匆匆來找于敏，打著看戲的名義約于敏談事。于敏看得出來老郝的意圖，孫玉芹也就帶著女兒于元回家去了。看完戲老郝才道出來意，老郝想把于敏調去別的領域，去做氫彈理論預研工作。于敏同意了，老郝驚訝于他的爽快，他本是個角兒，可是一旦過去就要從零開始，點了頭不僅要放棄留學，放棄之前的所有榮譽，更要隱姓埋名把這個秘密帶到墳墓里，從明天起誰也不會知道于敏在做什么，包括家人。于敏的態度依然很堅決，想要和平就要有不把打仗的底氣，這就是核平衡。既然我們造的就是底氣，這是關乎國家存亡的事情，必須干！
這件事情孫玉芹全然不知，還在為留學做準備，苦練英語。于敏告訴師傅不用把衣服改成西裝了，晚上又告訴孫玉芹說他只能每個禮拜天回來，也不出國了。孫玉芹實在想不通于敏要去干嘛，老郝也是支支吾吾的，于敏索性順著她的話說是做炸彈。次日，于敏正式去上班，第一日就聽到大家在爭論一個專業問題，他也說了幾句，也把大家擅長的領域分析地很透徹。老郝趕來后大家才知道，原來這個看起來很厲害的人就是于敏。老郝安排于敏和陸杰一起搭檔，不過也許是剛剛的爭論陸杰沒有理會于敏。
孫玉芹把厚厚的，記滿英語單詞的筆記本燒了，于敏則從此投身進了氫彈基礎的理論研究中。陸杰一直不服氣于敏，所以和于敏打一場賭，同事們擠在一起看他們的熱鬧。于敏輸給了陸杰，繞著操場跑了好幾圈大喊“我輸給陸杰”了。但于敏只是這一把輸給陸杰了，剛跑完沒歇口氣于敏就說他的算法和報紙上的數據都有問題，陸杰對此不屑一顧。
于敏總是第一個去食堂打飯，走的時候還帶點蘿卜條，同事們都以為他是為了占便宜，陸杰也諷刺他不應該這么干，還偷偷把蘿卜條拿走了。直到于敏趴在桌上腹痛難忍，陸杰才意識到問題的嚴重性。送到醫務室后他才于敏有十二指腸潰瘍，肚子餓更容易加劇疼痛，這也是老毛病了。經此，大家才解開了對于敏的誤會，再次回去工作后，于敏發現自己的抽屜里塞滿了糧食。于敏周末回家時也忙著研究，最近糧食緊缺，孫玉芹讓他去剪點兒柳樹芽，至于怎么吃她有辦法。
科研工作難，再加上食物不夠，大家常常熬到晚上餓得兩眼冒金星，陸杰也是。為了解決這個問題，于敏帶著大家下水撈魚，不過他水性不太好，就在岸邊等著。于敏的姐姐于愫來家里了，鄰里都傳于敏政審出了問題孫玉芹要和他離婚，于愫才會拿著這么多東西來勸她。
于愫這次來是為了于敏，她給單位寫信被退回來了，人也是一個多星期不回來，河北老家的人都說于敏被開除了。孫玉芹也不知道怎么解釋，總之于敏不說，她應該保密。于敏和陸杰他們撈了半天，只撈上來一條小魚，他們認認真真地分析了究竟是技術問題還是理論問題，有些滑稽。于敏下班時于愫已經走了，她其實也不愿意留下來吃飯，于母帶的魚干不多，她怕于敏不夠吃。孫玉芹絮絮叨叨地說起了于愫來家里的事，于敏卻已經投身計算中兩耳不聞，最后得出結論，美國期刊錯了！
計算結果是全世界最權威的期刊，陸杰等人對于敏的結果充滿了懷疑，但于敏認為科學不相信權威，他相信自己的計算。大家都選擇相信陸杰，陸杰卻選擇相信于敏，站在了真理這一邊。陸杰也愿賭服輸，不過于敏還沒想好讓他做什么，叫他先打個欠條記下來。最終領導拍板放棄錯誤模型，于敏避免了幾億人民幣的損失和三年時間的浪費。
半夜，孫玉芹大著肚子，感覺到要生了就拜托鄰居劉姐幫忙去照看一下于元，自己拿著洗漱用品去了醫院，路上更是疼痛難忍。孫玉芹生下了一個男孩，于母開心地不得了，于敏也是。于母數落了一頓于敏不管家里事兒，轉頭去找落下的老母雞，弄得于敏夫婦哭笑不得。
于敏在老郝辦公室熬了一整天，要求增加用計算機的時間，攆都攆不走。老郝無奈極了，于敏是厲害沒錯，但是科研也要顧全大局。于敏非要每周多加兩個小時，老郝無奈之下去找了領導，用于敏的辦法在他辦公室耗著。組里來了新人，于敏文化、體育兩手抓來了一次考核，最后只有一個人通過了他的考核，這個人就是原瑾泓。他出身不太好，毛病也有點多，于敏卻打定主意就要這個人。
于敏帶著原瑾泓在機房計算數據，發現數據錯誤于敏判斷機器壞了，找維修師傅來了一趟，沒想到他真的說中了，原瑾泓對他十分崇拜。科研人員沒日沒夜地熬，計算數據，漸漸地有人熬不住了。陸杰讓老郝弄點雞蛋給大家補補，可是他搞不來。老郝和陸杰、于敏一起打牌，原瑾泓有些郁悶，全國人民都等著他們造氫彈，他們卻在這兒打牌合適嗎？老郝三人看了他一眼道，磨刀不誤砍柴工。
家里的雞下蛋了，孫玉芹把雞蛋攢著等于敏回來一起吃，兩個孩子眼巴巴地看著。于元不愿意吃飯，想吃雞蛋，孫玉芹叫她數著日子，于敏還有兩天就回來了。話音剛落于敏就回來了，說是回來拿東西的。他把雞蛋帶了回去，獎勵給了有進展的陸杰，以后誰有進展誰就吃雞蛋。于元發現櫥柜里的雞蛋丟了喊來孫玉芹，里面只放著于敏留下來的借條。因為壓力太大，陸杰失眠了，于敏等人看著他犯困連忙拉上窗簾打開了燈，說已經半夜兩點叫他回去睡覺。宿舍的窗戶早就被幾人釘了起來，營造出一種半夜的假象，陸杰這才安安穩穩地睡了一覺，整整睡了十八個小時。
孫玉芹管劉姐借了一個雞蛋，做成了蛋花湯給兩個孩子吃。研究遇到了困難，遲遲給不出進展，上面要他們給一個說法。陸杰提醒于敏有人覺得這是政治問題，讓他注意一點。
因為研究一直沒什么動靜，上面開起了批斗大會，大家大氣不敢出，于敏發聲道，搞科研搞理論講的是實事求是不能貿然推進。上級厲聲質問究竟是不是因為政治問題，于敏一拍桌子道，科學只有科學的問題！今天這一關算是勉強過了，于敏在老郝面前也著急，現在擺在勉強的有三到四種算法，白天晚上沒日沒夜地做時間也是不夠用的。于敏突然有了靈感，急忙叫大家來集合，說就按照古人的兵法分兵迎戰，分成兩組。
于元在漸漸長大，不過還是對雞蛋的事情耿耿于懷，和孫玉芹說不想爸爸，因為爸爸不在他們就能吃到雞蛋了。原子彈爆炸成功了，千軍萬馬都調過來幫忙攻克難關，可人多了依然沒什么進展。廣播里放起了歌，原瑾泓跟著哼了起來，于敏和陸杰等人沉迷研究完全沒有聽過，畢竟平時連吃飯都沒有時間。大家很久沒有出過門了，睡眠不夠，也不按時吃飯，于敏決定放假三天，只許外出不許工作。大家都不理解于敏的意思，不過還是被他趕回了家，爬山、看電影也好，帶孩子也好，總之不要再繼續工作了。話雖如此，于敏卻留下來看著黑板上的算法發愣，原瑾泓找借口回來都被他趕走了。領導聽說這件事在找于敏，于敏借口出去沒去見。
于敏第二天才回家，于辛坐在院子里嗷嗷大哭，孫玉芹生病了說是頭疼想吐。孫玉芹給于換了褲子，家里也沒藥了，于敏給她倒了杯水匆匆去醫院給她開藥。于敏拿著戶口本去醫院掛號，護士問他什么癥狀他也回答不上來，藥也沒開回來。孫玉芹面色蠟黃，說躺一會兒就好，還起身要給好不容易回來一趟的于敏做飯吃。原瑾泓突然跑來說他算出來了，準備回院里重新推算一下，孫玉芹讓于敏放心地去。靈感是熬夜熬不出來的，大家還沒來得及高興?于敏就突然病倒了?。
于敏再次醒來已經是在醫院，孫玉芹一臉擔憂地守著他。孫玉芹和于敏結婚前于愫給他們介紹了見面，于愫說他這個人工作起來很拼命，只是具體也說不上他算得是什么。但于敏有個天大的好處，但凡心里有你就不會再有別人了。孫玉芹當時還急著回去上班，和于愫告別后就走了，正巧在門口碰見了于敏。于愫給于敏介紹一次對象就得罪一次人，所以這次他遲到，于愫拍下孫玉芹的照片就走了。直到現在，于敏沉迷工作的毛病還是沒變，醫生不讓他動腦子，孫玉芹不給他帶紙和筆，她不求于敏家財萬貫也不求他每天在家，就求他好好的，身體不要出問題。
于敏還是沒有聽話，孫玉芹回去后，于敏就偷偷跑回了院里和陸杰討論。1965年9月底，上級派于敏帶隊去上海突破氫彈研究的關鍵問題。孫玉芹幫他收拾行李，問了很多的問題，但于敏也說不出來。孫玉芹有些難過了，她可以什么都不問，可是孩子們該怎么辦，他們每次都問爸爸在干什么，孫玉芹不知道怎么說。其他小朋友問他們爸爸是做什么的，他們也說不知道。于敏依然一言不發，回應孫玉芹的只有嘆氣聲。孫玉芹帶著兩個孩子送于敏離開了，鄰居劉姐見狀，更覺得他有問題了。
上海華東計算研究所，于敏和陸杰到達后，借他們的是陸杰留學時的同學姚蘭。孫玉芹也不忘每個月去給家里匯錢，只是被問到愛人是做什么工作的，孫玉芹只能淡淡的回答四個字，我不知道。計算量大，人卻不多，陸杰建議學習螞蟻的分工，同時推進匯總結果，于敏頓時理解了他的意思，并且站出來做分工的計劃。姚蘭本想約陸杰去看電影，不過他很忙沒時間，二人就一起散步，一起回想當初留學的趣事兒。姚蘭對陸杰的崇拜之情溢于言表，陸杰卻還打算回去睡會兒接著熬，離開時姚蘭在他手里放了一顆奶糖，說太辛苦的時候嘗嘗就甜了。