1952年的上海，港務局青年活動會上，黃旭華和李世英相識。那是李世英第一次給黃旭華理發，沒想到一理就是一輩子。李世英要去大連讀大學進修，離開的那天，李世英跑到港口和他告別，黃旭華的船已經走遠，她就把東西留給劉主任拜托她一定要交給黃旭華，里面是一把推子。
1954年，上海船舶工業管理局。剛從列寧格勒造船學院畢業的嚴保國作為蘇聯專家瓦西里的翻譯回國為祖國效力。關于仿制魚雷艇，黃旭華向瓦西里提出了自己心中的疑問，卻被告知只需要學會仿制就好，因為中國目前的工業不足以建造潛艇，就算被侵略，蘇聯也會保護好我們的。結束后黃旭華依然追著向瓦西里提問，結果被嚴保國阻止了，說他剛才的舉動太過分了，也希望他能清醒一點，老大哥現在只想教我們仿制，除此之外什么都別想。可黃旭華不是這么想的，他想學到更多。午飯時，黃旭華帶著家鄉的酥肉，用生疏的俄語向瓦西里提問，人家聽不懂他就用肢體語言，被嚴保國生拉硬拽趕了出去。
某個雨天，黃旭華正在學習俄語，遇見了同在公交車站躲雨的李世英，她來這里當翻譯。第一次給蘇聯專家做翻譯，嚴保國提醒李世英不要給黃旭華做翻譯，他嘴里蹦不出幾個單詞，卻還非追著蘇聯專家聊天。李世英當然沒有聽他的，黃旭華一貫第一個舉手提問，李世英也認認真真地幫他翻譯。下課后，李世英再一次幫黃旭華剪了頭發，黃旭華則拿著鏡子偷看她。這一幕引來了不少人的圍觀，瓦西里都為他們的愛情鼓掌。
不久后，黃旭華和李世英結婚了。同事朋友們送來祝福，黃旭華和嚴保國在婚禮上高談闊論，被生拉開后才一起跳舞。1958年，黃旭華和李世英已經生下了一個女兒，黃旭華對她十分寵愛，每天怎么抱都抱不夠。上班后，黃旭華被呂所長叫去，給了他一封介紹信和火車票，讓他馬上出發去北京?；疖囀鞘c的，黃旭華甚至來不及回家收拾衣服，只能寫下臨時出差的紙條折成船的樣子，讓嚴保國把這個交給李世英。
嚴保國和春玲搞不懂黃旭華到底去了哪兒，李世英卻很放心，他說了勿念，也說過很快就會回來的。到北京后，黃旭華拿著介紹信來到北京海軍參加會議，認識了來自福建的趙達生和海軍劉宏元，他們對將要開的會一無所知。會議開始后于所長讓他們把本子收起來，不要做記錄，他們要從事的工作保密性極強，從現在起要斷絕與外界的聯系，無論是妻子、父母還是朋友都不能暴露工作單位，一輩子都要做無名英雄。聞言氣氛沉重，卻沒有人退出。于所長便宣布了大家來這里的目的，從即刻起，開始研發我們自己的核潛艇。他們面對國旗宣誓，像核潛艇一樣潛入深海，不知何年再與親人朋友相見了。忠于祖國忠于黨，嚴守秘密遵守紀律，不達目標，絕不放棄！
呂所長去通知李世英，說黃旭華有任務暫時不能回來，要在北京待一段時間，無論家里有什么事情組織上都會幫助她，李世英對此一頭霧水，也十分擔心。大家擠在軍樂團的樓里做研究，天氣炎熱，所長挨個兒給大家發了冰棍。黃旭華和趙達生、出去買書，回來的時候卻因為沒有證件回不去了，還被所長給訓了一頓。他們抱怨自己是雜牌軍，所長卻說他們就是雜牌軍，隱身的滋味才剛剛開始，未來許多年都將如此。
1958年的北京，科研人員正在熱烈的討論，于所長忍不住進來聽了一下，黃旭華能夠聽取不同的意見，也沒有參與熱烈的爭論，于所長好奇地問他怎么一個人在這兒不說話，黃旭華回答他還沒有最大程度的占有資料，不好發言。李世英收到了黃旭華寄來的一封信，這是黃旭華抽空寫下的，來來回回寫了好幾次都撕了，最后寫下寥寥幾行，最后留下兩個字，勿念。李世英收到來信終于放心，回信給他。
嚴保國也被調來北京，還和黃旭華成了室友，黃旭華追著他問閨女怎么樣了。李世英還給黃旭華寄了幾件衣服，和一個疊成小船的紙條，黃旭華看過后忍不住發樂。嚴保國問黃旭華進展如何，黃旭華如實回答，一開始所有人都干勁十足，可是后來一點點發現以前學到的東西完全用不上，數據、儀器、材料都很缺乏，一切都要從零開始。嚴保國覺得不至于，說三年之內一定能搞出來，黃旭華笑他太樂觀了。熄燈號響起，打斷了二人的爭論。黃旭華躲在被子里打著手電筒看女兒的照片，提筆寫下給父母兄長的信。
大家一致認為現在最需要的是時間，可是一到會上就沒人敢提反對意見，嚴保國一拍桌子說明天討論會上誰也別說話，他來說！次日的討論會上，于所長問他們三年內能不能下水，嚴保國還沒來得及站起來黃旭華便反對，研制很著急，但也不能違背科學規律，科學研發可不是人有多大膽地有多高產的邏輯，嚴保國補充認同。于所長說他和嚴保國會訪問蘇聯，登上核潛艇帶回第一手資料，有老大哥的支持，三年時間并不是不可能。
中國代表團訪問蘇聯歸來后，帶回了不少東西，眾人見狀急忙去問嚴保國什么情況，嚴保國卻低著頭什么話也不說。蘇聯專家要全部撤走，資料也要帶走，黃旭華卻并不擔心，這個世界上離了誰都是一樣轉的，大不了就從零開始。核潛艇下水時間推遲到了五六年以后，但是科研任務一天都不能耽誤，于所長讓黃旭華和嚴保國去找能夠做實驗的大水池。黃旭華和嚴保國回到了上海，路過家門卻不能進，二人只能忍著。
春玲告訴李世英有人在大食堂看見黃旭華了，李世英有些不相信，他真的到了上海還能不打招呼不回家?。奎S旭華在實驗水池忙碌，嚴保國接到上級指示特批一天假可以回家連忙來通知他。黃旭華有些恍惚，還以為自己在做夢。李世英推開家門看見黃旭華陪著女兒情緒激動不已，二人久別未見，至于女兒對黃旭華還有些認生呢。李世英又給黃旭華理了一次發，黃旭華還是舉著鏡子從里面偷看她，滿眼深情。
女兒今天很精神，晚上都不睡覺。李世英問黃旭華以后能不能?；貋?，得到答案有些失望。第二天離開時，李世英抱著女兒黃海燕站在窗前目送黃旭華，黃海燕終于開口叫了爸爸。在水池子里泡了整整兩年后，嚴保國有些不耐煩了，我們的目標是大海深處，不是這個小水池！黃旭華卻在這個時候收到了來信，父親去世了。黃旭華默默流著眼淚，如果他請假領導一定會批，但也一定會很為難，他立下的誓言不能違背，父親在天之靈一定會明白他的。所以母親并沒有怪黃旭華，他沒能回來，一定有他的難處。
轉眼到了1962年，黃旭華帶著李世英和黃海燕來到了北京分配的宿舍，他們和嚴保國住一個院子。黃旭華給黃海燕改了新名字，叫做黃燕妮。
北京，1962年。黃旭華發現大家匆匆離開，嚴保國也一臉落寞地告訴他一切都結束了，核潛艇下馬了。會議室內，科研人員無一不聳拉著腦袋，個個沒有精神。于所長勸大家要理解，當初他就是在這里迎接的大家，馬上要離開奔赴新的崗位，但是總沒有離開老本行。于所長希望大家打起精神來，我們是核潛艇人，我們會見面的！黃旭華等人默默流著眼淚，他們都想不通這是為什么，卻也只能被迫接受，默默離開。
嚴保國和黃旭華郁悶地喝著酒，為了核潛艇他們沒日沒夜地吵，沒日沒夜地畫，如今卻是一場空。嚴保國十九歲就去了蘇聯，他是可以留在蘇聯的，可是想要爭一口氣，他回來了。蘇聯覺得他們造不出核潛艇，嚴保國大老遠跑到蘇聯就是想見見那個核潛艇，可是他們卻不讓他上去。從那個時候開始嚴保國就發誓要爭一口氣，可是核潛艇怎么就下馬了呢。黃旭華冷靜地把喝醉的嚴保國帶回了家，第二天于所長告訴黃旭華，接下來組織上會留下幾個人繼續研究做保留計劃，以便將來東山再起，黃旭華是其中之一。接下來于所長要離開一段時間，黃旭華會成為一個孤獨的潛行者，要有耐心等到我們國家度過最困難的時期，在重啟之前，黃旭華不能放棄。黃旭華握著于所長的手答應道。
黃旭華一家送嚴保國一家離開了北京，兩個小女孩也依依不舍的。黃旭華依然如往常一樣去做研究，不同的是身旁沒有了并肩作戰的朋友，只有他一個人。核動力組的老彭也留了下來，黃旭華和他聊了起來。老彭父母雙亡，從小吃百家飯長大，心中意志十分堅定，他是不會放棄的。黃旭華點了點頭，他也不會放棄。留下來的人便在這段時間互相學習，堅定著走下去的信念。
1964年，我國第一顆原子彈爆炸成功，舉國上下沸騰不已。于所長回來了，在樓下喊著黃旭華的名字，讓他帶上三年研究的資料下來。黃旭華連忙帶上三年來的資料和于所長去了國防部于部長家，于所長負責拜年，黃旭華負責匯報。核潛艇項目重新啟動，大家從各地回到了北京，但我國的核潛艇事業依然任重道遠。
因為設計問題，嚴保國又和黃旭華吵了起來，雙連吃飯都不安生。上級最終采取了嚴保國的方案，第一艘核潛艇按常規線性設計，這對黃旭華和趙達生如晴天霹靂。于所長接到臨時通知，中央軍委要聽取水滴線型的設計匯報，讓黃旭華帶上資料跟他去，還要他暫時保密。黃旭華很擔心嚴保國的心情，卻也沒辦法說。晚上，嚴保國一回來就在鬧脾氣，黃旭華回來就聽到他在砸東西。兩家人突然鬧起了別扭，黃旭華想找嚴保國好好聊聊卻沒有回應。
于所長特地找嚴保國談了一次話，水滴線型的方案馬上就要實施了，嚴保國怎么能在這個時候撂挑子！現在壓力最大的人是黃旭華。