大家開心地慶祝已經成功爆炸一顆小型氫彈，完全可以在法國之前爆炸一顆名副其實的氫彈，讓太陽的光芒閃耀中國的大地。由于江水寧的身份問題，黃凱華已經無法再參與研究工作。氫彈試爆當天，王懷民將黃凱華的名字一并寫在工作證上。正在大家等著飛機投放639的時候卻突然出現意外，好在備飛預案啟動，在周總理親自安排下聶榮臻親臨現場指揮，中國爆炸了一顆成功的完全屬于自己的氫彈，我國的氫彈研究時間比世界上任何一個國家都要短，而這得到了國際的認可進入世界核武器先進國家行列。
一場集體婚禮在基地食堂舉行，王懷民和楊佳蓉、陶志綱和鐘心在同一天結婚。大家伙高興，由傅首長代表講話，這一路的風風雨雨幸福來之不易。陶志綱在臺上大講自己和鐘心的戀愛過程，又許下一輩子的承諾。這個時候，公安人員悄悄控制了禮堂，他們告知王懷民，在北京抓獲的一名特務原名姓楊，確實為楊佳蓉的二叔，而在他留下的書信中有楊佳蓉明確的通敵證據，將被逮捕。王懷民不顧個人的政治前途堅持舉行完婚禮，向大家訴說楊佳蓉的故事，自己愛上楊佳蓉的歷程，楊佳蓉一步步成為自己信仰的引領者和最忠實的伴侶。在傅首長的勸說下，公安人員同意等到婚禮結束。
婚禮結束后楊佳蓉就被押走，好不容易有家的振理眼睜睜看著楊佳蓉離開。陶志綱和傅首長還有王懷民都在拼盡全力救楊佳蓉。黃凱華撇清了特務嫌疑，但是因為過錯巨大不能參與接下來的研究也不能離開基地，彭雄飛責怪黃凱華結婚太過沖動害了自己和楊佳蓉，黃凱華失落賠罪，正要離開時鐘培林告訴大家自己要去北京出差，帶著核材料去中央面見領導順便幫楊佳蓉和黃凱華求情。
大家好奇鐘教授到底是怎么的留美大人物，原子彈和氫彈已經成功爆炸，鐘教授終于可以向大家透露自己到底是誰，鐘心介紹鐘教授就是國際著名的物理學家，如果沒有放棄原有的研究方向歸國可能早就獲得諾貝爾獎了，大家都對他敬佩不已，接著跟大家聊起未來核能戰略方向的問題。鐘教授和女兒告別，他還欠陶志綱一個道歉約定回來之后再說出。可是誰也沒想到，鐘教授乘坐的飛機在北京郊外遭遇雷暴天氣失事，鐘教授遺體被發現時他與警衛員緊緊擁抱在一起保護了他珍貴重要的文件數據。鐘心強忍住悲傷告訴了整個基地的同志，鐘培林為了國家隱姓埋名，他的信仰、愛、忠誠會在每個同志的心里留下烙印，永垂不朽。
1972年，黃凱華因江水寧事件，只能在基地做清潔工，而兒子建國也已經不認他了。因為基地之外的政治氣候嚴峻，王懷民仍然毫無楊佳蓉的音信。革委會主任曹芒打算任命彭雄飛成為院長助理，且明確告訴彭雄飛王懷民這樣只專不紅的科學家不可能再有出頭之日，又進一步鼓動彭雄飛緊緊地團結在革委會周圍，這樣才能在科學史上留下名字。在大會上，曹芒宣布彭雄飛成為院長助理。鐘心因為第二次先兆性流產去省城看病，但是被曹芒點名批評。鐘心的身體可能不可以再懷上孩子了。
王懷民在會上提出要搞民用核電研究，把一系列被打倒的曾經參與過兩彈的同志重新啟用，但是曹芒完全不認同啟用那些有過黑歷史的同志，并且他的思想是擁有了核武器就可以戰勝壓過美蘇，王懷民的觀點與曹芒完全相反，彭雄飛似乎也站在了革委會一邊。在和曹芒針鋒相對之后，革委會中的人提出王懷民是要搞反動清算要和人民作對，王懷民成為批判對象。常玉婷成為彭雄飛的學術助理，奉曹芒的命令卻一直在監視彭雄飛。
陶志綱被打倒下放到收發室工作，因為陶志綱當面頂撞曹芒為科學家們說話，所以被曹芒鼓動的反革命打傷接著又報復其下放。王懷民從石紅英處得到了楊佳蓉在蘭州一個農場的消息，他不顧路途顛簸，終于和楊佳蓉再次相見。楊佳蓉對王懷民說自己雖然已經撇清了特務嫌疑只是二叔去世很多事情說不清楚，他們也不放楊佳蓉離開，這兩年里兩人都互相給對方寫信，可是兩人都從未收到過對方的來信，雖然見面的時間很短，但二人十分珍惜在一起的每分每秒。
彭雄飛上下班都有常玉婷跟蹤，基地里，黃凱華叫住了彭雄飛，并遞給了彭雄飛一份研究報告，這是黃凱華在業余時間做的關于民用核電技術的研究。因為資料室和圖書館，黃凱華都無法進入，但是他克服了那么多難關還能寫出如此深入的科學研究，黃凱華只是想通過自己的努力再為國家做點事，彭雄飛回想著革委會上曹芒他們對王懷民、陶志綱的針對，很多事情他也無能為力，彭雄飛承諾一定會把材料遞交至學術委員會，也一定會幫大家平反。別人都說彭雄飛當官之后就變了，可是黃凱華不相信，彭雄飛坐上這個位子不是為了自己，也是有很多理想要去實現的。
鐘心被拉去集中批斗會，他們被拒絕參加學術會議，彭雄飛替他們說話也被曹芒以反革命反駁，這讓一個好好的學術研討會人員參差不齊。彭雄飛要在會上分發黃凱華的學術報告進行討論，可是得知常玉婷卻表示自己無法分發。王懷民依依不舍地離開蘭州農場離開楊佳蓉，楊佳蓉在書中給王懷民留下一段鼓勵其繼續研究民用核電的話語讓王懷民倍感珍惜。黃凱華在打掃衛生時發現自己的研究報告被扔在垃圾桶內以為彭雄飛違背承諾，失望傷心無力的情緒涌上心頭。原來是常玉婷自作主張丟棄了黃凱華的報告，彭雄飛無法為朋友和核電事業作出努力，他深感茫然無力。
陸大海申請調回北京可以和方小云結婚，可是聯系方小云時卻被無情的拒絕。黃凱華去監獄看望江水寧，江水寧拒絕與黃凱華進行探視，因為和自己的關系已經把黃凱華影響得夠深了，黃凱華多年來也只要一個答案，江水寧有沒有真的愛過自己，江水寧說出了自己的真實感受，即使一開始是因為特務任務接近黃凱華，但是在慢慢的相處中敬佩愛慕黃凱華，在集體中感受到家人的溫暖，自己也常常幻想可以不做特務就平靜幸福地在這樣的日子中生活下去，但是現實擊碎了她的幻想。黃凱華也要隱瞞自己的處境，但是江水寧從他的衣著細節中發覺其處境的艱難。
工廠倉庫外，失魂落魄的陸大海遇到了正在吃力整理箱子的方小云，這才知道方小云是因為父親被人污蔑成走資派而打倒，怕連累陸大海才提出分手，陸大海不管方小云是什么自己都會保護她。與黃凱華見完面之后，為了能讓黃凱華不再受自己牽連，江水寧在監獄自盡，留下一封信件交與黃凱華，信中表達了對黃凱華滿滿的歉意和真真切切的愛，希望黃凱華迎著陽光、堅持自己的研究帶著自己的期望好好活下去，黃凱華回憶起二人曾經相處的美好時光失聲痛哭。
王懷民回基地時看見陶志綱在鐘心的指導下練習英語，兩人都急切地想要知道楊佳蓉的近況，恰好碰見振理跟著一群反革命不懂事理的孩子，王懷民把楊佳蓉送給振理的鞋子、書和信交給振理，振理已經完全脫離學校他被誤導想要靠拳頭打出一片天地，王懷民不希望看到這樣一個振理，他慢慢地平靜地給振理講解道理，這個世界的規則一直在變只有未來是掌握在振理自己手里的，就像振理的“小羊媽媽”一路走來遇見過多少磨難但是從未放棄過自己，振理被感化漸漸意識到自己的問題。常玉婷給彭雄飛收拾書桌的時候隨便翻動其資料，彭雄飛根本不在乎當官，只是想好好科研。
楊佳蓉徹底沒事就基地上班了，鐘心終于懷上了寶寶而且已經四個月了，她總是擔心寶寶不夠健康，楊佳蓉幫她診斷孩子很健康，王懷民得到她回來的消息著急地趕去見面，但是方小云突然跑出來大喊著火，車間電路老化造成的，但是車間著火不是小問題因為存有鈾球毛球，一旦爆炸就會造成核輻射擴散影響到整個基地的同志。王懷民和陶志綱分別穿上防化服去尋找鈾球。楊佳蓉趕到車間要求進入幫助一起尋找鈾球，可是被工作人員阻攔在外。
王懷民帶著鈾球走出車間，楊佳蓉不顧輻射抱住了王懷民，幸虧全面檢測過后王懷民由于吸入輻射時間不長沒有大礙，倒是讓陶志綱和鐘心好一通擔心。巴圖已經成為連長開心地回基地找陶志綱報道，傅首長安排巴圖回到基地全面接收基地保衛安全，這是巴圖放棄了去北京警衛任職的機會換來的，巴圖為了完成父親老格勒的心愿保護科學家們。巴圖開始了和曹芒等人的斗爭，傅首長帶著巴圖的部隊進入團團圍住了曹芒等人，直接訓斥曹芒不顧西部軍事基地的安全守則調走所有工作人員，此事已經傳至中央由病榻上的周總理親自下令調查所有涉事人員，曹芒是絕對無法逃脫的，曹芒面對傅首長依然嘴硬，他根本做不到為了國家和人民犧牲自己，在他心里毫無信仰必須接受審查回爐重造。
轉眼到了1977年，振理和建國參加高考逃跑被陶志綱壓著去考場，佳蓉則和鐘心一起去參加會議，鐘心要做中子彈研究，而佳蓉卻是做中子彈防護，倆人討論彼此的研究要比翼雙飛。黃凱華正在做研究，這時華東所的總工趕到，黃凱華看到來人震驚。傅首長叫來王懷民，原來傅首長要離休回北京了，傅首長告訴王懷民國家正在撥亂反正，問王懷民有沒有什么要跟上級說的，王懷民表示自己希望國家給他們核電事業給與更大的支持，傅首長很明確地告知王懷民國家現在正要搞現代化建設，全力發展經濟，核電建設指日可待。王懷民同時希望傅首長在明年的全國科學大會上為各位女科學家多申請些名額，傅首長同意。
彩蘭鐘心和佳蓉一起包餃子，彩蘭叫雄飛剝蒜，雄飛因為跟炸彈打了半輩子交道，耳朵很不好根本聽不到，大家調侃雄飛。這時懷民和傅首長也一起來，傅首長也要參加包餃子，大家正開心的時候想起黃凱華怎么還不來，正念叨著黃凱華剛好過來，還帶來一個人，原來是丁向軍，他這次來就是來發展核電工業的，丁向軍告訴大家，自己以前就是想做驚天動地的事，但不想做隱姓埋名的人，自己當初看錯了很多的人和事，還差點讓國家的核事業遭受損失，但自己終于又回到這里，自己太高興了。王懷民感嘆他們四大才子終于聚齊了，傅首長告訴大家當初離開的葉昆明也一直在做檢討希望能回到核事業中的大家庭中，已經被批準。
陶志綱舉杯告訴大家第一杯酒就敬給成格勒和鐘教授，大家開懷一起唱歌。彩蘭問佳蓉王懷民的病怎么樣了，佳蓉難過的說懷民一直覺得浪費太多時間，要努力把工作趕上。彩蘭囑咐佳蓉一定要領王懷民去醫院看看，石大夫告訴佳蓉王懷民的時間最多只有半年了，佳蓉很是難受傷感，石大夫讓佳蓉勸勸懷民，早點接受治療好好休息，佳蓉告訴石大夫他不可能好好休息的，他要把所有精力獻給中國的核事業。
病榻之上，王懷民還是在堅持工作，佳蓉默默的陪伴他。王懷民為佳蓉做了一套新衣服，原來佳蓉明天要去參加頒獎大會，佳蓉讓王懷民幫自己戴上當初他為自己做的蝴蝶胸針，王懷民直夸好看和佳蓉一起拍照留念。1999年佳蓉到夫妻樹下告訴懷民他們現在都很好，盛世如他所愿。