陶志綱依舊夢見慘烈的朝鮮戰場上戰友們犧牲的樣子，從夢中醒來還是緊張得很。研究所收到了一個寫著“王收”的皮箱子，陶志綱萬分警惕，隔離在草地上進行炸彈檢測并且把王懷民控制起來，確定箱子安全之后彭雄飛第一個跑過去打開箱子，不想箱子裝的竟然全是原子彈的相關資料，來信確定是安德烈給王懷民寫下的一大段關于本心的話，安德烈相信中國有這批年輕的科學家就一定可以研制出原子彈。
大家都在整理資料和數據，得出來的模型更加詳細，但是很多資料都被燒毀還需要大量的時間和人力來補足，王懷民提出的五號原材料研究已經被專家通過。鐘培林宣布，為了記住撕毀協議和自力更生的這一個月，第一顆原子彈代號“596”。楊佳蓉已經準備出院，王懷民原計劃也會去迎接生病的楊佳蓉出院，不料黃凱華等人在蘇聯的殘卷里找到了一個寶貝，但是遇見了一個很難解開的方程式，他忍不住又拿起紙筆算了起來。楊佳蓉病才剛好就因為醫院急診科醫生短缺而去幫忙，拜托朋友劉麗幫振理帶回家，劉麗勸楊佳蓉不要再等王懷民，但是楊佳蓉還是喜歡著他。
王懷民等人計算方程式忘記時間直到天黑終于成功，他才意識到天黑自己還沒去過醫院。楊佳蓉正在醫院急救病人。王懷民向鐘心說出這幾年都是由楊佳蓉照顧振理的事情，這次沒能去成醫院也沒辦法只能回頭再感謝。王懷民和鐘心在路上看見一個人默念牛頓定律的陶志綱，陶志綱不愿意被人看見自己在偷學物理，而且還是為了造原子彈，王懷民倒是想教陶志綱學習物理，但是鐘心提議應該開個物理學習班讓有興趣的同志都去，陶志綱特別想去但是為了面子傲嬌了一把，陶志綱針對照相機和留聲機向鐘心和王懷民道歉并要幫他們修理，兩人趕緊離開。
A所的實驗樓終于建成了，大家都開開心心地進入新樓拿著報道卡去各自的研究室報道，暫新的工作場所讓大家驚喜得很，研究一室是基礎實驗室領頭的實驗室，彭雄飛更喜歡爆破實驗于是分到了研究二室，鐘心也想去二室卻被彭雄飛阻攔，在彭雄飛的勸說下鐘心還是決定留在一室。黃凱華不懂彭雄飛為什么要放棄和鐘心獨處的好機會，彭雄飛說自己不是一個徇私情的人，工作就是工作，而且讓鐘心了解自己的為人更賤能征服鐘心，黃凱華一陣無語。
戈壁灘上羅布泊，戰士們正在為建立新的實驗基地而艱苦奮斗，迎著艱難的沙漠環境不停地勞作。團長王明山收到了兒子王懷民的家信，信中留了一張振理的照片，但是信件內容泛泛，信封上也只留了一個郵箱號，王明山懷疑兒子也在一個保密單位工作。王懷民到幼兒園見振理但是一見面，振理就問楊佳蓉在哪，但是王懷民也不知道楊佳蓉的去處。黃凱華和王懷民圍繞原子彈“槍式”和“內爆式”的研究方向產生了激烈爭執，眾人僵持不下。鐘教授也認為應該先搞槍式引爆的原子彈，但是王懷民提出反對，所里還有很多同志根本不懂得槍式和內爆式的區別，鐘教授簡單解釋槍式威力較小內爆式威力更大。
鐘教授解釋完畢之后，陶志綱卻突然站起來發言說自己覺得槍式不好，膽子太小的原子彈還叫什么原子彈，本來在原子彈方面就落后于帝國主義，既然要干就要干大的。鐘心和陶志綱第一次互相認同對方。最終鐘培林決定成立“槍式”和“內爆式”兩個研究小組雙管齊下，但是科學家自愿選擇小組，整個一室只有四個選擇內爆式，鐘心很擔心人少不足但是王懷民倒無所謂，鐘教授透露上級會增派很多科研人員可以自己去爭取。
擴招的新同志是各個單位的精英有一百零八個人，他們來到A所的這年開始中國自主研究核武器進入攻關階段。楊佳蓉也進入了A所醫務室。又到了槍式和內爆式兩個小組爭奪人才的時候了，鐘心代表內爆組搶的火熱，可是王懷民無所謂同志的選擇，于是大家都選擇了更為簡單容易達到的槍式組，只剩下葉昆明被鐘心強拉了過來，但是葉昆明很想選擇槍式組，王懷民了解葉昆明的實力用專業的知識將葉昆明說到懵逼半推半就留了下來。
楊佳蓉一到醫務室就被醫務室主任挑剔，楊佳蓉并不服氣，于是被牛玲打發去整理如山的醫療檔案。幸好醫務室里有位前輩石紅英還能和楊佳蓉聊上天和她簡單介紹醫務室的檔案為何如此混亂。葉昆明在內爆組十分不開心，內爆組人員少得讓鐘心生氣，于是鐘心劃分界限各自比賽研究。黃凱華去買書莫名其妙和收銀員有一段對話，似乎是隔壁的女收銀員引起的。
楊佳蓉獨自整理檔案，夜晚王懷民因感冒到醫務室取藥門敲得很響，楊佳蓉出門查看但是檔案要整理就錯過了與王懷民的見面。楊佳蓉去詢問石紅英的時候已經能猜到是王懷民，急急匆匆出門去尋卻又未見他的身影。爆轟實驗場，彭雄飛始終沖在第一線，因為只有在剛爆破完畢就去收集數據才是最準確的，彭雄飛不顧個人安危讓王懷民深受感動。楊佳蓉在食堂也不斷尋找王懷民的影子卻未發現。
王懷民等人始終在實驗的第一線，但是內爆式的準備工序還是過于復雜根本就沒有進入實驗階段，鐘心和王懷民只好去攪炸藥。攪動的炸藥氣味讓人無法承受，但為了核彈的誕生大家依然堅持。一次次的實驗得出的成品與所要的樣子相差很遠，實驗再次失敗，大家很是失望。鐘心到醫務室看見楊佳蓉生病站著打吊瓶關心幾句，但是鐘心的傷口引起了楊佳蓉的注意，楊佳蓉幫她開藥。
鐘心幫楊佳蓉整理檔案，拿到的檔案恰好是王懷民的，此時楊佳蓉正在整理其他檔案，又一次錯過了王懷民的信息。彭雄飛突然對黃凱華說波形實驗一個月不達標就和他姓，大家一陣哄笑，又關心王懷民小組的進度，內爆組的進度緩慢，一方面是因為研究人才少一方面也是因為實在太過復雜所費時間要許多，王懷民不搭理其他人。于是他們的話題一會又聊到與鐘心的感情進展上。
牛玲下班前發現檔案室依然有人，隨后看到了煥然一新的檔案室，又看見生病依然堅守的楊佳蓉，她也很感動。槍式組的進度很快占用了內爆組的黑板位置，內爆組被槍式組包圍根本無法討論進度。牛玲因為楊佳蓉前一晚的表現對誠懇地向楊佳蓉道歉，并告訴楊佳蓉A所的研究方向是核武器。
王懷民在食堂里和組員講解內爆式原子彈原理，但是五號材料推動和中子源等都是未知的，因為眾多的未知都需要去探索，所以大家都有些喪氣，王懷民認為自主研究原子彈就是需要從頭開始。王懷民規劃出了計算的重點和研究方向，給眾人各自安排任務。葉昆明和組員李光華一起，而鐘心和張來一組。大家各自領了任務去完成。牛玲和楊佳蓉完全坦白A所的研究方向和承擔的任務，楊佳蓉覺得這樣太過危險需要很多犧牲。牛玲喊住楊佳蓉仔細給她講解A所醫務室的任務，就是為了幫助這些科學家保護身體，防止輻射傷害大家，楊佳蓉聽完之后愿意幫助牛玲一起。
楊佳蓉坐車趕去接振理，王懷民也急著趕車要被黃凱華喊住討論內爆組的進度問題?？上鯌衙癫盍藭r間沒能趕上公交車與楊佳蓉還是錯過了。黃凱華又去到圖書館購買書籍，但是太過入迷研究數據和女收銀員鬧了個誤會。王懷民終于趕到幼兒園和振理、楊佳蓉見面。三人一起開開心心地一起去玩耍，像真正的一家人一樣又一起吃晚飯，楊佳蓉和王懷民提起自己調到了一個新單位而且也是保密單位，楊佳蓉有點暗示王懷民自己與他是一個單位的，但是王懷民否認了這個問題。振理開口喊楊佳蓉和王懷民爸爸媽媽，幸福的感覺在三個人直接蔓延，王懷民離開時振理抱著爸爸開心地匯報自己的科學課成績最棒，有父母的感覺對于振理是很好的。
黃凱華在圖書館感受到了女收銀員的愛慕之意也很開心。王懷民也在不停地回想振理的話，直到鐘心喊他一起去401所。401所很大里面每個人都在做著實驗，傅首長對鐘心和王懷民說這個研究所很大，但是是專門為原子彈服務的，這是國之重器，而這個核反應堆等著鐘心和王懷民有任何研究成果就可以真正發揮作用。王懷民和鐘心熱血沸騰不斷地實驗，醫務室的同志們也不斷在學習醫學知識希望能保護到科學家們。鐘心和王懷民做實驗時意外突發，鈾泄露，但是劑量可能較低，王懷民吸入輻射氣體被緊急送入醫院。
王懷民與楊佳蓉終于見面，楊佳蓉為王懷民檢測身體輻射劑量，楊佳蓉卻斥責王懷民忽視安全，根本沒有考慮振理的感受，也因他研制武器而難過。王懷民著急知道自己到底有沒有劑量過度要回去做實驗，但是被楊佳蓉再次斥責留下休息。槍式組陷入瓶頸，由于設備落后等原因研究沒有進展，當量過小讓黃凱華隱約懷疑研究方向是不是有問題。幸好王懷民的身體沒有受到輻射的損失，但是他一得知自己的情況就立刻要回去工作，正說著，鐘心到醫務室找王懷民問情況，等王懷民離開之后，楊佳蓉將王懷民的藥給了鐘心囑咐其盯著王懷民吃藥。
槍式組的幾組實驗結果已經出來，但是數據都很不對勁，丁向軍有點不在乎最終的原子彈效果只想完成任務，黃凱華自然不能同意，不說原子彈效果完全不如美國，而且高濃縮的五號材料貴的驚人，不能再給人民和國家添負擔，大家雖然有些泄氣但在丁向軍的鼓勵下還是打起精神繼續努力。鐘心忍不住向王懷民打聽他和楊佳蓉的事情，這時彭雄飛大喊著闖進來詢問鐘心的傷勢，知道發生意外的是王懷民，彭雄飛頓時安心。大家發現彭雄飛因為過度實驗，已經產生陣發性耳聾，彭雄飛卻毫不在意自己的耳朵，高興宣布全國最好的炸藥已經配制成功，彭雄飛全程都很激動而且不暗藏自己對鐘心的心思。
鐘培林興奮宣布，五院的科學家們已經成功發射了第一枚導彈，大家既為此興奮又感到壓力。傅首長鼓勵在座的各位再接再厲，國家和人民等待著原子彈的出現。王懷民變得很奇怪按時按點地去醫務室報道檢查身體，還特地詢問楊佳蓉在不在。黃凱華自從上一次收獲女收銀員的小小愛慕之意之后再次去到圖書館打算和女收銀員搭話，猶猶豫豫不敢上前。