兩彈小組除了大家的一腔熱情只剩下重重困難，陶志綱帶著幾位剛分配下來的新同志到實驗室和大家見面，其中有一位叫常玉婷的女生直接對著王懷民做自我介紹，王懷民對其態度平常。黃凱華被調到兩彈結合小組，但其為639準備的一系列理論知識就要轉移給黃凱華，即使再覺得可惜也表示自己會遵從上級安排好好工作的。陶志綱和鐘心在操場散步，聊著如何讓鐘心的父親鐘培林同意二人的婚事，正巧看見楊佳蓉獨自坐在操場邊垂淚。
楊佳蓉手中拿著王懷民給的信抱住鐘心說自己很難受，陶志綱和鐘心才知道王懷民的情況，陶志綱倒是果決提議霸王硬上弓，把酒席、賓客和新娘子都準備好直接逼迫王懷民成婚，但是鐘心認為王懷民的決定倒是為兩人以后著想，結為夫妻之后要面對的抉擇可能更痛苦，楊佳蓉聽不進一切提議質疑是否為國家做貢獻的科學家都無法擁有愛情。王懷民依舊咳嗽不斷持續研究，因為氫彈的爆炸當量計算不夠，常玉婷卻莽撞提出自己的算法被王懷民批評，只有彭雄飛為其說話。江水寧已經在生活區的供銷社工作。
彭雄飛為自己沒有當上主任感到有些不忿，倒不是在乎官位只是這關乎榮譽和組織的信任讓其特別心寒，即使這樣還是沒有影響其繼續研究爆轟。江水寧和黃凱華一起收拾屋子，黃凱華發現垃圾桶里有許多量子圖形的草稿紙，黃凱華雖然有所懷疑但還是被江水寧掩蓋了過去。第二日江水寧拿出自己給黃凱華買的新皮鞋還半撒嬌似哄著黃凱華穿去上班。兩彈結合小組內部分歧嚴重，鐘心與人針鋒相對，因為導彈研究組始終堅持要鐘心小組將原子彈的設計完全服從于導彈。
鐘教授及時趕到聽取兩邊的意見，又竭力勸說兩邊不僅從技術層面思考兩彈結合更要堅持兩彈信念，克服困難完成任務。經勸導后才冰釋前嫌，雙方決定精誠合作。黃凱華因為去艱苦的地方工作所以把皮鞋換下交給江水寧清洗，江水寧把黃凱華鞋底的灰塵收集。指揮室內，彭雄飛正在分析試驗進度，醫院打來電話通知他李彩蘭馬上要生了。彭雄飛急忙趕往醫院時，彩蘭已經生下了女兒，彭雄飛高興激動地不得了直呼女兒是爸爸的小棉襖。傅首長找陶志綱談話說起他的感情問題，陶志綱表示自己會堅持，但是傅首長指示交代其不要因為感情問題影響到科研工作，陶志綱立刻保證。
彩蘭和彭雄飛的女兒腦袋出現一點小異常，但經過醫院全面檢查是完全沒有問題的，孩子和彩蘭沒有問題，又有彭雄飛在照顧著，大家都放心回去各自崗位。醫院走廊上，楊佳蓉注意到江水寧的面色不太正常，建議她去產科檢查身體，江水寧聽后心中一驚。王懷民再次抽血檢查，王懷民拒絕讓楊佳蓉做自己的主治醫生，石紅英遞給他一份全新的治療方案后忽然淚流滿面。
原來楊佳蓉為了找到更好的治療方案，瞞著王懷民用自己的身體做試驗，王懷民堅決反對的同時也深受感動。縣城招待所，江水寧將自己收集的黃凱華鞋底的灰土交給老康帶回去分析研究，江水寧通過供銷社商品銷售數量推算基地科技人員人數，分析黃凱華沒有參與氫彈研究而且改行轉去研究導彈。
鐘心和張來相互鼓勵咬緊牙關拿下兩彈研究，路上陶志綱開著車來找她，陶志綱為婚事苦惱，鐘心卻全身心投入兩彈結合研究，兩人沒有什么時間在一起。陶志綱決定支持鐘心為先關心其要照顧好身體。看著遠去的鐘心陶志綱倒是真覺得科學家和其他人之間有堵很高的強。心事重重的江水寧想起自己向老康匯報的懷孕情況，老康要其生下孩子好控制黃凱華，又遇見陶志綱要采購燈泡和手套，就這樣意外摔倒。
江水寧醒來后得知自己因為懷孕嚴重貧血，幸好這次摔跤沒有影響到孩子，重要的是基地里的同志知道江水寧缺血就趕來獻血，江水寧得到大家的照顧心中很是糾結也很愧疚。氫彈的研究一時陷入僵局，陶志綱突發奇想，竟然啟發了王懷民和彭雄飛。楊佳蓉一直在醫院里陪著江水寧，看著睡著的楊佳蓉，江水寧拿出了老康設計陷害楊佳蓉的信，是楊佳蓉的二叔親筆寫出的，而信會使得楊佳蓉萬劫不復甚至會影響到王懷民，這樣就進一步地破壞了氫彈的研究，江水寧很是糾結。
夜深了，兩彈結合小組的同志們仍在努力工作，傅首長囑咐大家回去休息。楊佳蓉在夢中說的王懷民有生命危險被江水寧聽見。傅首長還未完全離開，卻發現那間大辦公室的燈又重新亮了起來，傅首長也無奈科學家們的工作熱情只好放開讓他們研究。楊佳蓉和江水寧說了自己與王懷民一些事情，江水寧為兩個人感情的錯過感到生氣，表達自己觀點的過程中情緒有些激動，但時代的特殊性賦予每個人特殊的任務，如果不犧牲自己那很多人就沒有未來何談美好的未來，每個人都竭盡全力地奮斗著，這一番話讓江水寧很是難過竟然哭了起來。
大家研究通宵終于下班，黃凱華收到一封信。王懷民特意等在楊佳蓉辦公室外找其看病，他已經向組織申請作為楊佳蓉研究輻射的一個?“試驗品”，楊佳蓉接受帶著王懷民到了實驗室，換衣服的過程中口袋里掉出了一張紙，打開后發現那不是老康轉交的信件，江水寧因為良心問題還是撕掉那封信并吃了下去。黃凱華去醫院看見江水寧正在吃些什么東西，面對黃凱華的疑問，江水寧敷衍了過去。
王懷民參與彭雄飛的爆轟實驗，此次的爆轟結果不錯可以作為氫彈研究的開端。因為江水寧身體不適，黃凱華背著其回家，兩人聊起了豬八戒和高小姐的愛情，江水寧還是說出了自己的心里話，她不希望黃凱華是個擁有秘密任務的科學家。1966年5月攜帶模擬核彈頭的核導彈冷試驗成功，兩彈部門結合的很完美，接下去就是鐘心即將開始核導彈熱試驗，但這個實驗最關鍵的是安全問題，全部要按照預定狀態下運行，這還是鐘心團隊的功勞。鐘心回國之后面臨了三次研究方向的選擇，但是她沒有任何怨言只有我愿意三個字，林教授也對其公開表揚。
基地生活區，王振理、黃建國等幾個小孩子正在玩扔石子，建國的扔法被其他孩子取笑，江水寧便運用物理知識教兒子建國，結果建國打碎了遠處的一塊玻璃，他拉著江水寧跑開，匆忙之中，江水寧沒來得及擦掉寫在地上的物理公式，兩人在一邊建國突然說自己覺得江水寧越來越不像特務，這番話讓江水寧有些憂心。江水寧留下的圖畫恰好被黃凱華看見。江水寧再次去見老康，老康質疑江水寧的工作進展，江水寧解釋基地的安全性能特別高，而且建國說過自己是特務，老康要江水寧殺死建國栽贓到楊佳蓉和王懷民身上，進而破壞基地的研究核心。老康威脅江水寧必須在三天之內殺死建國否則江水寧就要先死。陶志綱找到黃凱華問鐘心的去處。
陶志綱向黃凱華打聽鐘心最近的情況，黃凱華卻給他普及了很多關于導彈的知識，又告訴其兩彈小組中有七名同志自愿成為導彈控制員，他們都留下遺書時刻準備犧牲，黃凱華安慰陶志綱里邊可能不會有鐘心。事情卻相反，鐘心果決地交出了遺書志愿成為導彈控制員，與鐘教授告別時鐘教授答應只要她能活著回來就答應她與陶志綱結婚。這是一項關乎于全民族一百多年來夢想的任務，就是在這一天兩彈實驗成功，標志著中國已經擁有能夠用于實戰的核導彈。不光如此，639的研制也已經到了最后的關頭，大家伙都激動地不行。
老康聽著廣播里在中國共產黨的領導下核武器已經成功的消息十分嫉恨，江水寧與他都躲在暗處觀察黃建國。王懷民再次來到楊佳蓉處檢查身體，王懷民體內的放射性物質已經慢慢減少，多項指標都趨于正常，他能繼續活向美好的未來。楊佳蓉拉著王懷民的手到眾人面前要王懷民答應自己，在他任務結束的那天兩人就結婚，因為以前的膽小兩人之間錯過了很多機會，現在楊佳蓉好不容易勇敢了起來，王懷民堅定地許諾等任務完成不管生死無所畏懼一定與楊佳蓉結婚，兩人相擁。
江水寧想要傷害建國可是終究不忍心還是交代建國最近要時刻小心除非見到父親不然不要和任何人走，建國乖巧答應。鐘心帶著資料被一群人圍著，幸虧陶志綱帶著戰士及時趕到解救鐘心。江水寧突然收拾行李要去北京，只和黃凱華說舅舅病重自己要臨時回去，黃凱華心中起疑在送江水寧離開時問她還有啥要對自己坦白的，江水寧叮囑黃凱華要保護好自己和建國又依依不舍地抱著黃凱華然后乘車離開。鐘心帶著絕密資料回到基地交給王懷民，這一切得虧陶志綱，鐘教授與陶志綱握手感謝哪知陶志綱抓著手就是一通親熱地叫著岳父，鐘教授想起自己的承諾最終還是默認。
黃凱華表面不動聲色，卻坐著下一趟車跟了上去。江水寧看到黃凱華跟來錯愕不已，黃凱華坦白自己雖然平時專注研究但是搞科研的自己很注重觀察，江水寧送給自己的皮鞋刮擦太過干凈、而且她能看懂數據的演算過程、還有她上次吃下的紙，這些都讓黃凱華產生了懷疑。說話間，她看到了外面的老康，為了黃凱華的安全江水寧設計獨自離開去見老康，拿出假資料混淆得以槍指老康，但是老康似乎掌握了黃凱華的安全以此威脅到了江水寧。
王懷民發現黃凱華失蹤，急忙找到陶志綱，從黃建國的口中得知黃凱華有危險，得到消息的陶志綱迅速帶人趕往縣城。廢棄的廠房里，老康拿性命威脅逼迫黃凱華寫出絕密資料。在老康的威脅下，黃凱華寫下了一組方程式，老康命令江水寧解開方程，結果竟然是《歌唱祖國》的曲譜，黃凱華是怕死但是絕不會屈服于敵人的槍下，就在老康要傷害江水寧的時候陶志綱及時趕到，老康自盡。江水寧被帶走搶救，她的性命保住但是孩子不幸流產，江水寧的認罪態度很好根據口供北京又抓獲兩名特務，黃凱華因為涉案太深也要被隔離審查，大家都十分關心相信黃凱華，因為當時現場的殘酷還有黃凱華扛下所有寫下的《歌唱祖國》都值得大家相信。
“文化大革命”初期正在發展中的核工業受到了影響和干擾，為了穩定局面，黨中央領導人親下指令保證核工業的正常運轉。鐘教授向傅首長匯報基地資料被人多勢眾的大串聯分子搶奪并且要運走，他們連傅首長的命令也不遵從，楊佳蓉和一眾科學家們手挽著手攔住串聯分子裝有資料的汽車離開，又是陶志綱帶著士兵及時趕到，這些人的一舉一動完全可以被視為間諜罪，他們要經過嚴格搜查才能離開基地。彭雄飛爆轟實驗失敗，鐘心正式加入氫彈研究小組，王懷民通過簡單的算式提醒大家每一個小點持續積累就會變成更大的點。