陶志綱懷疑王懷民偷竊資料隨意翻動王懷民的物品，兩人起了一番爭執，但屬下告知陶志綱丟失文件已經找到，陶志綱沒有認錯還警告王懷民讓拿來鍛煉的自制自行車回位。陶志綱面對蘇聯專家遞還已經找到的資料，蘇聯人還為陶志綱隨便找人搜查駐地生氣，但是陶志綱再三強調文件在蘇聯駐地找到蘇聯人自己弄丟了，這一說讓彼得無話可說。陶志綱對之前搜查王懷民搞壞了他的留聲機感到些許愧疚，打算賠償王懷民留聲機的錢。
黃凱華、彭雄飛和丁向軍三人在宿舍閑聊，說起黃凱華和妻子的事情，因為黃凱華妻子的文化程度不高所以很難理解科研工作，彭雄飛順勢說所以自己來到A所，這樣也不用太費心就可以尋得一位志同道合的女科學家，他還給所里所有的女科學家都打了分，但是自從鐘心一來彭雄飛的目標就徹底轉移了，三人正說得開心，都被門外準備賠錢的陶志綱聽見了，陶志綱對他們隨便議論女同志的行為感到很生氣。第二日陶志綱向傅首長匯報的時候受到表揚就飄飄然向首長告黑狀，這些科學家各有各的缺點建議全部勸退另找一批。首長嚴厲批評陶志綱的行為并且要求要給這些科學家一些轉變自己思想的時間。
中蘇雙方高層就原子彈試驗場的位置進行討論，因為敦煌有很多重要文物，所以無法試驗發射出超過兩萬噸的原子彈，傅首長已經請示過中央周總理，周總理指示放棄中央重新選址，并要蘇聯專家兌現贈送原子彈模型的承諾，但是蘇聯專家提出的嚴格要求，要試驗場的衛生完全達到標準就兌現。大家都很高興各自去到試驗場進行認真打掃，唯有王懷民帶著自己專屬的小工具來了。蘇聯專家根本不相信中國科學家們短時間內能達到標準，但事實是中國人完全做到。安德烈不明白為何可以成功，中國人的意志沒有什么做不到的。
楊佳蓉找不到振理只能選擇報警，而后回家等待消息。與之對應的是A所也在焦急地等待著原子彈模型，但得到的消息是由于技術原因原子彈模型無法轉交，這讓大家十分失望。鐘心帶了很多行李到A所報道，被嚴格翻查，鐘心的許多物品陶志綱和其他同志都完全不知道，陶志綱向鐘心表示不能瞧不起在艱苦環境中奮斗的同志。鐘心報道A所被邀請去男生宿舍，彭雄飛的小心思表露無疑，大家都很興奮，只有王懷民待在宿舍外繼續自己的研究。
楊佳蓉找不到振理和王懷民心里一直不踏實，朋友勸楊佳蓉放棄王懷民，人家是高級別的科學家可能進入了更加保密性高的研究機構，而且人家這么做就是不想耽誤楊佳蓉，楊佳蓉都明白只是擔心王懷民無法照顧好振理，她再三懇求朋友一定要幫助自己找到振理。宿舍中的聚會還在進行，鐘心關心原子彈研制進度，但是大家把話題又轉移到了鐘心和彭雄飛的個人問題上。鐘心玩笑過后順嘴還關心了王懷民，大家都說王懷民是科學怪人。
陶志綱趁著沒人打算自學物理卻又學不明白，偷摸著學見有人進來又藏了起來。大家又討論起蘇聯帶領進度緩慢的事情，王懷民聽見立刻沖進宿舍提議大家成立秘密小組自己進行理論問題的研究而不要依賴蘇聯人，但是黃凱華和彭雄飛反對，理論是知識的基礎，先應該掌握蘇聯人的基礎理論再在此上進行研究才不會走歪路，鐘心贊成王懷民，建議分成兩個小組，一個小組尋找問題反推理論，另一個小組帶著問題壓榨蘇聯專家，兩個小組共同研究齊頭并進。大家都贊成鐘心，于是第二日就去向陶志綱提議邀請蘇聯專家參與歡迎舞會。
研究組和壓榨組分別執行自己的任務，壓榨組在鐘心的帶領下去找陶志綱要求召開歡迎舞會，蘇聯專家也找過陶志綱要求舞會且要邀請所里的女同志，但是陶志綱認為這有傷風化，但是鐘心再三要求陶志綱終于同意。會場布置都由鐘心操辦，陶志綱負責檢查會場安保，對著鐳射燈以為是原子彈模型被鐘心嘲笑。王懷民被迫請到舞會無事可干只得在一旁看書計算。鐘心和丁向軍、黃凱華等都借著舞會向蘇聯專家提問，但收獲甚微。
王懷民在一旁和一位蘇聯專家因為破解數獨杠上比賽，鐘心邀請陶志綱跳舞不僅被拒絕海北陶志綱一通數落。黃凱華實在忍不了直接找到彼得說明中國真的很需要原子彈挺起腰板希望蘇聯專家能盡快進入正題。第二日蘇聯專家伊萬的授課雖然多了學術內容，卻全是照本宣科，而且與他原本的專業完全不搭架，眾人十分失望。鐘心詢問王懷民研究組什么時候開始，原來王懷民一直在翻譯的專業俄文資料，并且其中有很多重要的蘇聯人沒有給的書籍，彭雄飛也理解了王懷民這段時間所做的努力，此時王懷民的書籍被大量印刷分發成為了大家的助力。
所里的科學家都集中在王懷民的寢室里聽王懷民講解書籍內容。鐘心與王懷民談起她以前最討厭科學家的類型，王懷民則說科學家本就不是被人喜歡的，只是引領方向的航標。科學家屬于未來卻活在現在，科學家本來就是孤獨的存在，如果人生伴侶恰好是研究伙伴那也是很幸運的事情，鐘心有所觸動，對王懷民頗有好感。兩人聊得正好，鐘教授突然出現說自己要有事離開段時間，希望王懷民照顧鐘心，但是王懷民拒絕，鐘教授認為王懷民很適合鐘心。
鐘教授與工程團團長王明山從敦煌出發經過玉門關進入羅布泊荒漠尋找試驗場選址。任務有些艱巨，需要工程團帶領保護。彭雄飛和丁向軍、黃凱華和蘇聯專家斗酒打賭，蘇聯輸了就要寫下原子彈方程式，中國科學家輸了就要天天請蘇聯人喝酒，但是蘇聯人酒量太好根本不能贏過，一個個都喝的軟塌塌的被蘇聯人嘲笑，陶志綱將醉酒的人帶回，自己留下與蘇聯人拼酒，比賽似乎是贏了但是還是沒能拿到方程式。第二日，蘇聯專家開始講授原子彈的基礎構造，但為了保證蘇聯設計圖的秘密性禁止記錄和畫圖，還要求陶志綱監督大家，王懷民等分工合作每人記下一塊區域的內容。
安德烈一講解完畢內容就立即被擦掉，而且他還指明王懷民等私下研究搞小動作做些無用功。王懷民、黃凱華、彭雄飛和鐘心雖然把大致的圖樣給記錄下來，但是合在一起的方程式數字不對而且這只是人家的簡單數據，核心數據根本沒有向中國人透露。這樣一來，除了鐘心和彭雄飛，王懷民與黃凱華卻有些失去信心。楊佳蓉終于找到了振理所在的幼兒園，面對年幼的振理，楊佳蓉很是心疼對著王懷民一通激動勸慰，楊佳蓉可以不做王懷民妻子但是可以做振理媽媽，王懷民最終同意由楊佳蓉照顧。
王懷民回到宿舍提筆給何吟薇寫信，原子彈研究進展艱難，振理和楊佳蓉的事情他也需要好好考慮。鐘教授和工程團進入羅布泊深處遇到大的沙塵暴伴隨著飛石，士兵和科學家都受了輕傷，只是風沙還未過去大家可能面臨迷路，路還要繼續走下去，但是戰士們都要一個解釋，自己到底在執行什么任務。
沙漠條件艱苦，王明山帶領的戰士們幾乎堅持不住。王明山得到了上級的允許，告訴大家正在執行的是尋找原子彈試爆地點的任務，鐘教授給戰士們講解我們的國家正受著美帝國主義核武器的威脅，只有我們擁有了核武器就能抵抗帝國主義的威脅，是這個時代最偉大的任務。戰士們聽后熱淚盈眶，表示就算犧牲也值得。蘇聯仍然沒有送來模型，大家再次失望離開。蘇聯人總是諸多借口拒絕運送原子彈模型。王懷民想起鐘心有照相機，于是新的計劃開始了。王懷民等人用相機拍下了黑板上被擦掉的圖，又在暗房做技術處理，不斷拼圖計算。大家夜以繼日不斷拼湊。
終于，一幅完整的原子彈內部結構圖被拼湊出來，眾人雀躍歡呼。大家商量著在發生變故之前盡可能多的掌握更多的知識和技術。不料陶志綱突然闖進來詢問，而且是接到舉報說這幾個人特別活躍，陶志綱和眾人搶奪照相機的時候曝光了相機底片，毀了大家收集到的所有資料。王懷民一通科學理論怒懟陶志綱讓其無言以對。A所保密包制度實行，每個同志上下班都要領取和送還保密資料。王懷民對保密包計劃信心十足，他的大腦完全可以記住所有的知識。黃凱華妻子向其提出離婚并帶走孩子，陶志綱愿給黃凱華提出幫助，但是黃凱華決心已定還是簽下了離婚協議。
陶志綱告訴黃凱華保密包不是針對他們幾個而是更好的保護資料安全，黃凱華告訴陶志綱王懷民的事情而且勸告陶志綱更多地去了解這些科學家們。楊佳蓉冒著雨接振理回家，振理十分開心。鐘心在男生水房幫王懷民和其他科學家洗衣，王懷民突然闖進水房告訴大家之前研究的九號核材料利用率低爆點低，改用五號材料，大家重新計算模型公式，再繼續壓榨蘇聯專家一定能成功研制五號材料。陶志綱告訴大家一個沉重的消息：?蘇聯人撤走了。蘇聯專家離開前，把所有帶不走的資料都燒毀了。蘇聯單方面解除原子彈援助條約，大家情緒激動要搶回資料被攔截。但蘇聯之前在華所做的一切為中國第一顆原子彈研制成功打下基礎。
黃凱華突然向大家宣布自己放棄研究且離婚的事情，黃凱華雖然甘心為祖國的一切奉獻自己，哪怕是妻離子散只要能造成原子彈自己也認了，但是現在可能造不出原子彈自己的價值和意義全無。黃凱華第二日寫信給妻子愿意調回廣州與其團聚請求復婚。陶志綱緊張國家放棄制造原子彈，和傅首長說實話自己對于原子彈的感受，但是被傅首長批評，兩人爭辯原子彈造出不易困難重重。
王懷民去看楊佳蓉和孩子，結果楊佳蓉因為工作和照顧振理染上重感冒暈倒住院，王懷民才從楊佳蓉朋友處得知楊佳蓉是南京大屠殺的親歷者，家人全部在南京大屠殺中遇難。朋友向王懷民指明楊佳蓉的心意。黃凱華收到妻子再婚的回信，彭雄飛也得到蘇聯專家全面撤離的消息，兩人心情不佳一起去喝酒。楊佳蓉醒來看見王懷民所做的一切很開心，楊佳蓉隱瞞1949年見過王懷民事實而且鼓勵王懷民去找到自己的志同道合的人。
林安城教授帶來了毛主席說的話我們可以自己試試，蘇聯人幫忙是好，不幫忙我們也可以。蘇聯專家撤走之后留給中國人的是更廣闊的舞臺，有更多科學英雄崛起，并且中國的三個鈾礦廠都即將投入使用，那么中國要自己做原子彈，走出一條自己的原子彈之路，這個消息令眾人熱血沸騰。大家齊聲喊著自力更生，艱苦奮斗的口號，誓要造出中國人自己的原子彈。