黃旭華壓力大，于所長想盡辦法寬慰他，從無到有本就是需要冒險的。嚴保國突然沖進來一把拉走了黃旭華，說他爸有個做外交官的朋友，他從國外帶回來一個核潛艇仿真玩具。眾人圍著這個玩具興致匆匆，于所長告訴大家從現在起要開始新的挑戰，轉戰福祿島！
1966年，黃旭華把李世英和黃海妮接了過來，這天趕上了一場大雨，黃旭華說雨過天晴后，這島上很美。嚴保國和春玲早早地就來了，抱著黃燕妮去找嚴海霞玩兒去了。李世英見屋子里漏風又漏雨，環境簡陋，愣了一下，又埋怨黃旭華早就應該讓她來的，他一貫不會照顧自己。只是不該讓黃燕妮跟他們一起遭罪，她身體弱。李世英想養一只雞，下了蛋給黃燕妮吃，黃旭華有些心疼，讓她受苦了。李世英見黃旭華手上都是繭子有些納悶，他分明是做研究的，卻不知他也要做體力勞動。一家子暫時在這個海島上安家，黃燕妮管雞叫布娃娃，李世英說奶奶給她做的布娃娃丟了，她哭了一路呢。嚴保國拉著黃旭華就跑，說趙達生和別人因為設計圖吵起來了。黃旭華在這邊解釋半天，又去另一邊解釋，趙達生提議做一個一筆一的模型又引起了群情激奮，哪兒來那么多錢啊！圖紙雖然畫出來了，可是沒有人見過核潛艇，誰也不知道應該怎么做，大家依舊是兩眼一抹黑。
黃旭華正頭疼時，見到了黃燕妮捏的過家家玩具頓時有了主意，二話不說往外沖。沒想到趙達生已經做了個模型出來，連忙讓他做個設計圖，用木頭做個和核潛艇一模一樣的模型。然而這個提議遭到了強烈反對，有人認為如果傳出去太有損臉面了。黃旭華和嚴保國為此去找于所長，于所長聽到二百五十萬的經費頓時急了，黃旭華和嚴保國你一言我一語的，于所長才勉強答應。老彭他們的核動力組也來到了福祿島，和黃旭華他們并肩作戰。
微機室外，黃旭華和嚴保國、趙達生、宏元四人排著隊，爭分奪秒地進行運算。大家都在爭分奪秒地進行生產，沒想到結果超重一百八十四噸，幾百號人埋頭苦干結果是這樣的結果，黃旭華氣得拍桌子吼。黃旭華第一次發這么大的火，連嚴保國都嚇了一跳。布娃娃下蛋了，黃海妮和嚴海霞為了讓它多下蛋給它吃大米，可這些大米是人都不夠吃的，俞連長想要阻止，黃海妮卻說她要讓布娃娃下更多的蛋給黃旭華吃，他平時都舍不得吃的。深夜，俞連長偷偷把兩個雞蛋留給正在做研究的黃旭華和嚴保國。
黃旭華和嚴保國商量了一下，決定重新生產零部件，這次要親自監督。全國兩千八百多個工廠同時開工，嚴保國將大家一一做了分組趕往全國各地監督生產。李世英聽說俞連長給科研室送的雞蛋都是從戰士們嘴里扣出來的，黃旭華嘆了口氣。其實李世英特別想讓黃燕妮回城里上學，可現在看來他們必須做好長期安家的準備，黃旭華整天忙得連覺都睡不夠。俞連長拜托黃旭華下次去北京的時候幫他帶只口琴，他媳婦兒要生了，他想下次探親吹給他們聽。黃旭華把自己的口琴送給了俞連長。
放學后，李世英和春玲去接孩子們，嚴海霞悄悄告訴春玲黃燕妮上體育課餓暈了，她把早飯偷偷給布娃娃吃了。回家后，二人忽悠兩個孩子回去寫作業，拿著刀準備把布娃娃給殺了。黃旭華聽說黃燕妮暈倒知道她營養不良，盤算著給她弄點好吃的補身體。李世英來給他送雞湯，黃旭華知道這是布娃娃后吃都吃不下去了，那可是黃燕妮的寶貝。
1969年，福祿島。李世英和春玲把布娃娃殺了燉湯喝，黃旭華皺了皺眉頭說她捅馬蜂窩了。二人回到院里就聽黃海妮和嚴海霞哭鬧的聲音，吵著鬧著要布娃娃，嚴保國和黃旭華怎么哄都哄不好。李世英忍著情緒走進屋子里，說還剩下一些，讓黃旭華吃了別浪費。黃旭華沒吃，李世英情緒難過起來，她連雞骨頭都不舍得吃，這么做是為了誰啊。黃旭華連忙安慰她別生氣，決定把雞剁成餡兒包到云吞里，黃燕妮一定會吃的。
閑暇時候，黃旭華就一個人躲起來拿起針線，給黃燕妮縫布娃娃，嚴保國發現后忍不住取笑他。1970年，第一艘攻擊型核潛艇服役，同年中國第一艘戰略核潛艇開始研發。1974年，美國發表了導彈水下發射穩定性的論文，黃旭華認為應該馬上跟進，他把趙達生和劉宏元調進戰略導彈小組協助研究。黃旭華太過武斷，嚴保國連忙拉著他出來，有幾個人正準備打他小報告呢，這個決定萬一失誤了會引起很多風險，黃旭華卻依然堅持，他相信他們設計的穩定系統沒問題，如果錯了，他負全責。
李世英幫黃旭華理發，最近他壓力大，飯你也吃不下覺也睡不夠，日漸消瘦。春玲跑來找孩子，她去學校接孩子老師卻說因為刮臺風早就把孩子放回來了。臺風肆虐，黃旭華和嚴保國一眾人連忙去找黃燕妮和嚴海霞。雨越下越大，最后大家在海邊礁石發現了已經暈倒的兩個孩子，又急忙把他們送到了醫院。兩個孩子被送進了搶救室，結果出來了，嚴海霞沒事了，可黃燕妮還沒脫離危險期。李世英聽到這個結果哭得稀里嘩啦，埋怨黃旭華不該把她帶到這個小島上受苦，一瞬間的情緒崩潰無處發泄。黃旭華看著李世英哭鬧有種深深的無力感，攥緊的拳頭還滴著雨水。
黃燕妮遲遲沒有醒，黃旭華不斷在她床邊認錯說對不起她，默默地把那個縫好的布娃娃放在她身邊，陪了她整整一夜。次日一早，黃燕妮醒了過來，黃旭華欣喜不已，抱著她親了又親。來送飯的李世英看見這一幕，流下了心酸的淚水。黃旭華拿著雞蛋讓俞連長把它吃了，俞連長連連拒絕，說他們科研人員要補充腦力，雞蛋是他們該吃的東西。黃旭華拿口琴威脅他，俞連長才吃了一個，黃旭華把剩下的也都塞給了他。俞連長指著大海問他，咱們的核潛艇以后也停在這兒嗎？俞連長很佩服他們這些科研人員，說以后也要讓兒子像他們這樣。
刮風下雨又停電了，俞連長向黃旭華保證過絕不能耽誤研究，冒雨打著手電去搶修，結果觸電倒地，被急匆匆地送到了醫院，卻沒能搶救回來，為科研人員搶修的俞連長沉重的犧牲了。1988年。黃旭華從夢中驚醒，他年紀已經大了，李世英也是，二人一起經歷了許多大風大浪，李世英明白，黃旭華是想跟著他們一起下水的。黃旭華母親已經許久沒有見過他了，她身體已經不太好了，卻還不愿意打擾黃旭華，他在保密單位工作，就一定是在做大事。
南海某潛艇基地，黃旭華和趙達生等人依然堅守在工作崗位。俞連長的兒子俞慶文參軍了，做了海軍，黃旭華和嚴保國偶然通過口琴認識他的。俞慶文想要替俞連長圓滿，他想申請參與核潛艇實驗。這幫孩子們去拍照了，嚴保國嘆了口氣說，他們是在給自己拍遺照。下海是有危險的，大家都抱著萬死不辭的犧牲精神，而這也在無形中給科研人員增加了壓力。
馬上就要進行極限深潛了，黃旭華讓俞慶文帶頭唱一唱，還特地開了一個談話會。即將執行任務的海軍有很多人都寫了遺書，黃旭華叫俞慶文起來讀一讀，有人寫給了母親，有人寫給了妻子，有人寫給了弟弟……寫給父母家人的信中，句句抱著必死的決心，已經做好了為祖國獻身的準備。黃旭華卻告訴大家，他是要大家把數據拿回來，作為總師他有足夠的信心，能夠把大家安全的帶到海上，就能把他們安全的帶回來。黃旭華還宣布，他將和大家一起下潛。
嚴保國理解黃旭華的心情，但不同意他這么沖動，全球都沒有這樣的案例，作為總設計師怎么能跟著一起下潛做實驗。嚴保國想和黃旭華一起下潛，黃旭華卻不同意，他掌握著一直以來的數據，萬一出了事至少還有嚴保國總結經驗教訓。嚴保國嘆了口氣，二人杠了一輩子，現在看來還是杠不過他。黃旭華則始終記得嚴保國說的一句話，我們的目標是大海深處！
南海。核潛艇持續下潛，嚴保國與趙達生等人也在焦急等待。李世英手里拿著當初和黃旭華結婚的照片，一整天都是不安的。小睡一會兒后的李世英突然驚醒，一言不發地往家門外走，黃海妮見她跟丟了魂兒一樣連忙追出來。李世英先是說要去黃旭華單位，走錯了方向，走一半又魂不守舍地返回了。
情況不容樂觀，但大家相信有黃旭華在，一定沒問題。李世英突然接到了電話，接著急急忙忙就要走。已經超過了預定上浮時間卻仍不見蹤影，嚴保國等人有些著急。靜謐的海洋深處，核潛艇在黃旭華的指揮下持續下潛，所有人都捏了一把汗，黃旭華的額頭被汗水洗禮。李世英去到首長辦公室，沉重的接起了那個不知什么消息的電話。核潛艇浮到海面上那一刻所有人都松了一口氣，我們成功了！接起電話的李世英得知黃旭華平安無事，終于忍不住放聲哭了起來，這其中的擔憂、欣喜，只有她自己明白。走出辦公室的時候，李世英的腳步放快了許多。
黃旭華成功了，他看著我們的國旗，心中感慨萬分，從研發核潛艇到成功的這一刻，經歷了太多心酸痛苦，而這一刻，不管吃多少苦都是值得的。1995年，母親病重，黃旭華和李世英趕回汕尾老家，他已經有許多年沒有回來，母親再見到他頭發白了，人也肥了。母親伸出手想拉住李世英的手，那只手卻在半空中停下重重地垂了下去，母親走了。站在一望無際的海洋邊，黃旭華說，他是一個很幸運的人。
2018年，青島，海軍博物館。黃旭華已經九十二歲了，李世英也頭發花白。二人一起參觀了他窮盡一生心血的成果，像黃旭華說的，他這一生和它在一起的時間比李世英都長。李世英拿出手機，幫黃旭華與核潛艇拍下了一張合影。