黃凱華因前妻的事情向江水寧道歉，江水寧卻微笑著和他規劃起未來的生活，還把自己的戶口本交給了黃凱華。鐘心和另一位羅布泊選出的同志一起競爭起爆員，鐘心的心態更加平穩光榮地獲得了點亮596的任務。黃凱華和江水寧領證后開始在西部基地生活，江水寧對一切充滿好奇。君怡在走之前就和江水寧交代了作為科學家的妻子會承擔很多不為人知的辛苦，而且可能一輩子都不知道他在研究什么，但最美好的是科學家都很單純，和這樣的人生活在一起會很幸福。
戈壁灘上醞釀著一場黑風暴，鐘心為了追回資料向戈壁深處跑去，陶志綱匆忙去找，風暴越來越大其他人不得不緊急避險，茫茫戈壁尋找鐘心也變得困難，鐘心一邊要要保護文件資料一邊要抵擋風沙卻不小心陷入沙里無法逃脫。陶志綱著急尋找鐘心汽車擱淺不得不徒步救援鐘心，但也因此負傷，陶志綱把護目鏡和方向都交給了鐘心自己卻因為負傷無法移動，只得訓斥鐘心將其趕走，自己一個人直面死亡，哪知鐘心看見撞翻的吉普車知道陶志綱受傷返回找他，鐘心帶不走陶志綱自己也不肯走，危難中兩個人終于向對方表白心意，鐘心答應了陶志綱要娶自己的請求，中子源和鈾球雖然不能在一起但是只要在一起就會發出最耀眼的光。兩人相擁一起面對黑風暴。
彩蘭遇見黃凱華和江水寧祝賀二位，婚禮不著急辦等大多數同志們回來了一起辦。彩蘭懷孕四個月被江水寧一眼看出來了，江水寧似乎很關心基地同志們在干些什么時刻會忘記保密條例，但是黃凱華始終沒有透露。黑風暴過去鐘心和陶志綱都還活著，鐘心將樹枝和皮帶固定住陶志綱受傷的腿，兩人互相攙扶著踉踉蹌蹌地走回基地。彩蘭幫著黃凱華、江水寧布置新房，還湊了一些糧票祝賀兩人結婚，又添置了很多生活用品，這些作為讓江水寧很是感動，但是江水寧的表情有些奇怪似乎在擔心什么。
核爆零時越來越近，就怕一些普通的牧民會闖入核爆試驗區。王懷民申請乘坐飛機進去蘑菇云內采集數據，因為奉獻過大傅首長表示上級還在研究中。王明山帶領的狩獵小分隊在巡查過程中居然遇見了一批持槍的特務，雙方交戰，王明山下令要縮小包圍盡量活捉，成功抓獲特務但是王明山腿部負傷卻忽略不治，因為是貫穿傷抗生素用的不多隨時都有生命危險，但是這條長路已經行走了半年王明山想完成剩下的道路。
大家再次集中討論596爆炸當天的所有情況，同時通報了狩獵隊的情況，經過對被抓人員的審問得知他們是國民黨留下的人員，他們已經在沙漠行動了十五年，從最初的兩百人到現在為數不多的幾人，而且已經排除了他們與臺灣方面聯系的可能。保衛部分由陶志綱進行匯報，經過三天的聯合排查未發現可疑人員。對于596爆破當天的更多情況只能盡量做到最好。夕陽西下，鐘心、陶志綱、王懷民、楊佳蓉和彭雄飛哼著歌，大海和方小云跳著舞，每個人都在期待著核爆零時的到來。
王明山向大家宣布狩獵小分隊圓滿完成任務順利歸隊，就在核爆要炸響的那一刻王明山終于安心倒下。核爆零時當天，原子彈在重兵護衛之下，每一個原子彈事業的工作人員的注目之下，596被推出倉庫，緩緩升上爆塔頂端。技術人員小心將596進行安裝，方明將軍也將此事秘密匯報至周總理。羅布泊突然出現大風天氣，塔臺爆室晃動，好在是在可控范圍之內，準備工作已經結束，技術人員安全返回。
王懷民單獨找到傅首長，申請參加回收地面核測試數據的任務，即使這是個九死一生的任務王懷民還是堅持上陣，托付傅首長交給楊佳蓉一封信。他不知道，此時楊佳蓉正在為進入蘑菇云采樣做準備，每一個坐上飛機準備采集數據的同志都給家人留下了信件，只有楊佳蓉默默摸著王懷民給的胸針。經過全國各大氣象專家的聯合分析終于確定核爆當天的天氣良好，核爆按原計劃進行。大家既焦急又期待，隨著發令員的口令，起爆員鐘心摁下按鈕，蘑菇云騰空而起，照耀出的萬丈光芒和釋放的能量足以摧毀一切。
蘑菇云從炸開到緩慢消散，數據收集的同志們及時趕到核爆鐘心冒著生命危險收集一手資料。外圍采集的數據傳回總部顯示并不樂觀，因為核爆磁場影響較大所以最準確核心詳細的數據還需要在核爆內部進行數據采集的同志傳回。楊佳蓉和王懷民一個在地面，一個在空中緊急采集數據，靶場中，王懷民發覺數據儀器少了一個，獨自沖回爆心區域，找回最后一個儀器。而楊佳蓉的空中采集已經完畢順利返航。在洗消的過程中，王懷民突然開始嘔吐。為了其他同志的安全必須將其隔離。
數據很快傳回指揮室，經過數據分析員們緊張的測算，結果出來了。鐘培林鄭重而緩慢地宣布：這一刻我們等得艱難而緩慢，但是這次爆炸的原子彈釋放當量超過美軍在廣島投放的原子彈當量，所以這是一次成功的核爆炸！大家歡呼雀躍，方明將軍將情況告知總理。大家都沉浸在核爆成功當中，1964年10月16日，歷經千辛萬苦我們終于永遠了自主研發的原子彈。毛主席也無法再隱瞞此激動小心讓周總理提前公布，全國各族人民都為原子彈的成功歡呼雀躍。西部基地也得到消息，打算好好慶祝。楊佳蓉的檢查結果顯示無輻射影響，而牛玲告訴王懷民的父親王明山的情況不容樂觀，但當他聽到廣播中播報原子彈成功爆炸的消息時，嘴角卻是掩蓋不住的笑意，美國的中國悲觀論調恰恰從側面證實了中國核爆的真實性。
楊佳蓉去看望王明山，王明山認識楊佳蓉問起王懷民的情況，楊佳蓉安慰王明山王懷民只是因為工作辛苦要好好休息，而王懷民恰是中國核武器研制的中堅力量，王明山驕傲但也知自己時日不多交代楊佳蓉許多王懷民的事情。王懷民的檢查報告送往北京繼續驗證，為防止其成為輻射源不得不繼續隔離。現在陶志綱一召喚鐘心就跟著一起，鐘教授也不再阻攔。由于保密性的要求所以表彰原子彈突出科學家和技術工人無法公開身份領獎，他們必須繼續隱姓埋名為國家奉獻自己。方小云再無理由繼續留下第二天就要離開基地去北京學習，大海明白了信仰的偉大人的渺小，支持方小云去上大學，四年后兩人會用跟好的自己面對面，方小云和大海許諾畢業就結婚。
陶志綱也向鐘教授表明自己對鐘心的滿滿愛意，請求鐘教授同意兩人回到西部基地立刻結婚結成革命伴侶，鐘教授仍然不能接受，他介意的還是兩人文化水平的差距，陶志綱將自己從鐘心處學習到的很多知識向鐘教授匯報，但是鐘教授還是堅持兩人無法達成精神境界的溝通，且現在也不是鐘心結婚的最好時候，一旦結婚有了孩子又如何去追求科學的夢想，陶志綱根本無法和鐘心志同道合感同身受，鐘心生氣離開，陶志綱也表示自己不會放棄。王懷民終于拿到了自己的檢查結果，離開隔離病房，他趕到父親的病房，但還是晚了一步，王明山光榮犧牲，王懷民在父親耳邊私語一家人就快要在天上團聚了。
紀念為原子彈事業犧牲同志的墓碑群中又多了一具英雄的尸體，人民和國家永不會忘記英雄的付出。自從拿到體檢結果，王懷民就開始躲著楊佳蓉，彭雄飛為王懷民打掩護之后質問其為何轉變態度，王懷民咳嗽不止沒人知道他的情況。傅首長也問牛玲王懷民的情況如何，本來要轉交給楊佳蓉的信被要了回去，其實王懷民的報告顯示其未來可能會患上白血病，王懷民不想自己繼續連累楊佳蓉，只想把剩余的時間留給研究，牛玲也只好幫他隱瞞。黃凱華和江水寧的婚宴就要舉辦了，江水寧有些一反常態。
回到西部基地，眾人參加黃凱華和江水寧的婚禮。既是為了慶祝婚禮又為了原子彈首爆成功，大家都熱熱鬧鬧開開心心地開玩笑。江水寧似乎心里負擔很重在回答大家伙的問題時也表現的不太自然，至于兩人的戀愛問題還是陶志綱比較有發言權，陶志綱上臺講述之前還特意關心鐘心，然后就叭叭地講述了人家的愛情故事。等他下臺之后和鐘心的事情被問起時，還是一臉的沮喪，因為鐘教授的不贊同婚禮也是沒那么快。
大家的話題又轉移到了楊佳蓉和王懷民的身上，但是王懷民因為自己的身體根本就沒有出現在婚宴上而是繼續研究，楊佳蓉只好將話題再次轉移回婚禮的主角身上，王懷民現在已經會時不時流鼻血了，楊佳蓉去找他時已經發現血跡也猜到了王懷民的情況，王懷民為避開楊佳蓉躲在實驗室的角落里，鼻子流出的血已經染紅手帕。即使看見楊佳蓉留下的見面字條也只有傷心的資格。黃凱華和江水寧匆忙趕往基地門口迎接江水寧的舅舅，然而基地出于保密需求，沒有允許舅舅進入。舅舅交代黃凱華還講起了江水寧的艱難前半生留下了眼淚，黃凱華更是承諾會對江水寧好。
鐘心和陶志綱商量如何度過鐘教授這一關，但凡結婚就是要通過基地黨組織同意，有鐘教授在就是一大阻攔，陶志綱突然拉著鐘心的手承諾自己一定會向鐘教授證明有能力配上鐘心，如果鐘教授再不同意那就來硬的，鐘心被陶志綱的話語感動。建國竟然和振理說自己的后媽江水寧是特務還要找出證據證明。婚禮徹底舉辦完成，江水寧和黃凱華的話中始終有話，只是醉酒的黃凱華根本沒有聽出。
縣城飯店，黃凱華、江水寧和舅舅三人一起吃飯，舅舅話中也打聽黃凱華工作單位的情況，在閑聊中黃凱華就要暴露基地一些情況幸虧及時止住。趁著黃凱華去書店，舅舅瞬間換了一副面孔，原來他的真實身份是國民黨特務“老康”，江水寧竟是潛伏已久的特務“古扇”。老康懷疑江水寧假戲真做，并提醒其不要忘記自己的任務和特務行鐵律：誰要是出現真感情那就是提前進入墳墓，在他的提醒下江水寧恍惚答應。
傅首長和鐘教授向大家傳達了毛主席的重要指示：中國第一顆氫彈叫639，三年內一定要讓首顆氫彈爆炸成功。不論是什么彈，我們就是要超過別國。氫彈的研究難度巨大，國際上沒有任何關于氫彈的理論知識，，在三年之內僅知道氫彈、聚變四個字怎么可能研究氫彈，大家都提出質疑又沉默，即使是研究困難很大，大家依然為新任務感到振奮。鐘心發覺氫彈研究人員沒有自己，鐘教授先是告知鐘心我國確實確實導彈來結合原子彈進行投送，而鐘心就是要進入到兩彈結合研究小組。鐘教授承認自己在陶志綱問題上有些著急還是希望鐘心多多考慮與陶志綱的關系，鐘心堅持自己的選擇。
石紅英還是關系鐘教授身體，這一切都被鐘心看在眼里。楊佳蓉本想找牛玲問王懷民的情況，但是牛玲害怕自己說露嘴也避開楊佳蓉。王懷民知道無法成功隱瞞楊佳蓉自己的病情，只好給楊佳蓉留了一封信，請求其放下兩人之間的感情，將剩余時間留給研究。王懷民如期赴約與楊佳蓉見面，把自己寫好的信件遞給楊佳蓉，就算已經知道王懷民的情況，楊佳蓉仍然愿意與王懷民共同承擔未來，但王懷民拒絕了她。氫彈專家小組碰面開展會議討論氫彈的初步情況。