等待計算結果時的大家心里都在打鼓，于敏和陸杰帶頭背起了詩詞。計算結果出來了，原瑾泓搖了搖頭，于敏掩不住的失望。計算結果總是不理想，于敏只能聯系了老郝。剛掛電話部長就來了，部長問他氫彈理論研究有沒有突破，老郝只能如實回答，暫時沒有。部長要叫他們回來，老郝追著部長要時間，從一個月縮成了一個星期，再到五天。部長答應了，可是五天的時間夠干嘛呢。
時間緊迫，難題擺在眼前，于敏連睡都睡不好，又不斷和內心的另一個自己爭辯。于敏知道自己應該快一點，國家著急，可搞氫彈務必要穩扎穩打，走好每一步。于敏滿頭大汗地醒過來，陸杰來了。現在的問題就像是放風箏，知道它在哪兒卻抓不住那根線，只要抓住這根線就能夠跑起來。于敏和陸杰說了自己的新想法，陸杰連忙跑回去告訴大家他的想法，準備兩個模型試一試他的辦法，應該是可以的！可是忙了一晚上，計算結果依然不怎么理想。
老郝承諾的五天時間到了，領導在電話里等消息。老郝最終無奈，決定打給上海華東計算機研究所。上海這邊，于敏蒙頭洗了把臉，又回去機房和大家并肩作戰了。計算再次開始，機器突然出了問題需要重啟，時間不知道還要多久。于敏說大家等了一百多天了，也不在乎這一會兒。老郝打電話過去找于敏，不過如果他在機房，他可以等。于敏和陸杰下著象棋，機器已經重啟好了，計算結果也出來了。原瑾泓叫來于敏和陸杰，成了！多次計算過后，確認無誤，的確成功了！機房陷入歡呼，于敏卻再一次暈倒了。
醒來后的于敏連忙跑回院里和老郝通了電話，為了保密，二人在電話里沒有直接說出來，但于敏告訴老郝離贏只差一步時，老郝十分激動，連忙約好上海見。于敏又給孫玉芹打了電話，于辛在那邊哭鬧，孫玉芹和他打了個招呼就把電話掛了。于敏會想起和孫玉芹第二次見面的場景，那時候他給孫玉芹買了上海產的玻璃絲襪，然后就沒錢請她吃面了。孫玉芹善解人意地付了錢，還擔心他沒錢買票把襪子退了。
陸杰去幫姚蘭修燈泡了，姚蘭大膽邀請他再跳一次留學時的舞，陸杰卻拒絕了，因為家里給他定親了。姚蘭問他喜不喜歡她，陸杰沒有回應，二人道過再見便離開。老郝和于敏聊著天，這次他當居首功，二人約好等于敏回北京請他看戲。原瑾泓愛人帶了不少好吃的分給大家，眾人聚在一起喝酒，因為工作的特殊原因，家人、愛人都不理解，原瑾泓的妻子甚至向他提出了離婚，說這個家不需要他。原瑾泓喝得酩酊大醉，老郝路過聽到這些話內心五味雜陳。
次日，老郝回北京的飛機出事了。飛機墜落，老郝因此去世。
得知老郝的死訊后的于敏心情極其復雜，他強忍著眼淚，還是忍不住蹲下失聲大哭一場。從上海回北京后于敏回了家，卻見家里鎖著門，劉姐才告訴他說，他家都搬走了。于敏尋著地址找去了新家，于辛正在樓下玩耍，見到他一臉陌生地問“叔叔你找誰”。于元連忙開口道，這是咱爸呀，于敏臉色復雜。
于敏在家也忙于計算，于辛奶聲奶氣地走過來，要他帶自己去放風箏。于敏還在忙和他交換條件，說忙完給他做個能飛的飛機，父子二人手拉手拉鉤約定。于敏忙了一晚上，一早去了單位，于辛看著還沒做好的木頭飛機問孫玉芹他什么時候回來。
1965年12月，青海。于敏帶隊帶隊去了廠區，被起哄說幾句。于敏摘下帽子，哽咽許久才開口。氫彈設計在理論上已經取得了突破，這一句話反復三次，越說越激動。于敏說想先去車間看看，五室接觸核輻射有危險，不過于敏并不怕什么。來到這里后的工作越發緊張，于敏和陸杰的宿舍大半夜被敲響門，說出事了。范師傅日夜加班不小心把氫彈外殼弄出了一道溝子，認真查看后于敏擔保，這個不會影響爆炸。范師傅給于敏弄了些餃子，問他科學是不是真的，于敏安慰他人和機器的最大區別就是機器不會犯錯。范師傅對自己的手藝一向很自信，他向于敏坦白了出事的原因，不是熬夜熬不住了，而是因為他在這兒待了三年半都沒回過家，對象等不下去跟別人走了。
1966年元旦。部里給科研人員家屬組織了聯歡會，讓他們說一說心里的委屈。孫玉芹帶著于元和于辛，聽到陳嫂流著淚說家里的苦，心里同樣難過復雜，流下了眼淚。她也是這樣，一個人帶著兩個孩子，在他們生病的時候獨自帶他們去醫院。部長深深地向大家鞠躬道歉，一直沒說話的孫玉芹站了起來，家家有本難念的經，既然自家男人干的是保密的活，她們也不能倒下，還招呼大家以后誰家有急事互相幫助，日子總是要過下去的。
工人們追著于敏問問題，于敏看起來不太舒服強撐著，突然有人過來說陸杰突然在八號材料車間暈倒了。于敏去醫院看了陸杰，醫生很好奇地問他們到底是干什么的，于敏沉默。醫生說他們神神秘秘地導致有很多傳言，有人說他們是研究潛艇的。于敏追問醫生陸杰的情況，醫生說很嚴重，可能最多只有五年時間。陸杰去找過姚蘭，但是她調走了。他拿出姚蘭給的那顆奶糖，感覺到了一些甜。陸杰的病房被拉上了簾子，于敏在簾子外跟他下棋。陸杰第一次夸于敏，其實他對自己的身體情況很了解，這場仗是他輸了。家里人并不知道他的病，于敏拿出了當初打賭陸杰寫下的欠條，現在到了要兌現承諾的時候，于敏要他好好活著。還有一件事，于敏讓陸杰當他的入黨介紹人。
1966年，新疆。于敏帶隊前往新疆，部隊里老馬帶人來接他們。于敏讓剛才吐了的三位同志去坐小車，自己帶著剩下的去坐大車。天寒地凍，路途顛簸，一路上都很不易。
車半路丟了個車輪子，老馬連忙叫人去找，于敏卻指了指旁邊說輪子在那邊，見老馬不信就自己去找，這是科學。于敏確實說中了，老馬都有些奇怪了。終于到了營區，眾人急忙捧起杯子要暖和暖和。但是這里的水是苦的，還夾雜著沙子，原瑾泓甚至直接吐了出來。于敏全喝了下去，這些都是大家幾十公里打回來的水，只有這樣才能在戈壁灘上存貨下來。煤沒運過來，戈壁灘冷得要命，眾人縮在帳篷里睡也睡不著，只盼著能夠趕緊天亮，也許就不會這么冷了。為了取暖，大家齊唱《我和我的祖國，歌聲唱進了每一個人的心中，支撐大家熬過寒冷。
于敏帶人去做實驗，沒想到儀器在運來的路上顛壞了，新的還運不來必須得等。老馬覺得時間緊催他們進行另外的項目，可是測試需要順序，于敏和他又吵了起來。晚上，于敏想去撿點柴火，因為沒力氣被老馬取笑了一番，不過他還是幫忙了。老馬遞來一根煙，于敏不會，不過還是接了過來。于敏和老馬說起理論研究，搞理論就是蓋房子，三天兩頭就要塌一次，個中心酸只有自己明白，老馬突然對他們有些佩服。第二天，老馬派人給于敏送了淡水，水不苦了，也不會拉肚子了。
明天就要零時了，于敏和老馬激動又緊張，老馬說當年沖鋒陷陣都沒這么害怕過。于敏也緊張，連手都在抖，但是只要理論扎實，又有什么好怕的。這次實驗成功概率有百分之八十，老馬好奇地問于敏這說法對不對，于敏沒有回答。1966年12月28日，氫彈原理實驗現場。倒計時后，氫彈成功爆炸，大家都沉浸在氫彈原理實驗成功的喜悅之中。離開這里時，老馬帶著兵送他們，這么些天相處下來，老馬已經認可了于敏，也明白了他說的那句，相信科學。
孫玉芹見于敏回來了，冷冷地問他，還活著呢？于敏這么多年都沒幾天在家的，孫玉芹一個人撐著家又當爹又當媽的，于敏是知道她的辛苦的。孫玉芹賭氣悶頭干活，于敏說起他們第一次第二次見面的場景，笨拙地哄著她。孫玉芹鼻子紅了，叫他把煤球搬進去。晚上，一家四口窩在一張床上，于敏給兩個孩子講故事，沒說幾句他們就困了。于辛一直記得上次于敏說話不做數沒做好的飛機，還說他老是不在家，小朋友們誰都敢欺負他。于敏為了給于辛撐腰，拉著他上幼兒園要對方道歉。回去的路上，于辛聽話了許多，父子二人也變得溫馨許多。
1967年6月17日晨，于敏做好了飛機，帶著于辛一起去試。這一天，新疆羅布泊上空，中國第一枚氫彈爆炸成功。于敏和孫玉芹帶著孩子們拍完全家福后，見舉著國旗自發游行的人們大喊祖國萬歲，說是氫彈爆炸成功了。于敏拿出錢，說要買只烤鴨，不過孫玉芹說家里用錢的地方還需要很多，還是不買了吧。
聽到廣播里慷慨激昂地講述著氫彈爆炸的消息，于敏熱淚盈眶流下幾滴熱淚，于他而言，這是一場無聲的慶祝。于敏刮掉了一直以來沒時間打理的胡子，把國旗放在桌子上看了許久。孫玉芹似乎也明白了什么，看向他默默流了幾滴眼淚。鞠躬盡瘁，死而后已，科研人員深藏功與名，實現了對祖國的無悔誓言！