2013年1月6日，我國國產大型運輸機航-20首飛，各大新聞媒體對此進行廣泛報道，該型飛機是我國中航工業集團完全自主研發的大型多用途運輸機。醫院內，看著直播的老飛行員秦天，回憶起了幾十年前的時光。
1949年10月1日，新中國成立的開國大典儀式上，身為飛行中隊隊長的秦天，與戰友們飛過天安門廣場接受檢閱，飛行途中，秦天所駕駛的飛機突然出現故障，他只能返航，根據經驗判斷，故障原因是發動機使用年限過長導致的，飛行總指揮顏司令命令秦天放棄飛機跳傘，然而秦天卻保證自己一定可以保住飛機安全返航。在過硬飛行技術的操作下，秦天順利將飛機降落在某軍用飛機場內。
飛機保住，飛行員平安降落，秦天本想向司令員討個獎勵，卻不料遭到嚴肅的批評，秦天并不愿意承認錯誤，自認為自己對飛機的情況非常掌握，平安降落在意料之中。司令員看著這個從飛行學校起就是刺頭的飛行員，氣不打一處來，命令他沿著飛機場跑圈，直到意識到錯誤為止。秦天干脆利落的跑了起來，直到深夜也沒停下。
戰友張長江、江行建找到司令員替秦天求情，顏司令一直在關注著秦天的跑步動態，飯也沒吃。此計不行另換他計，兩兄弟又陪著秦天跑圈，勸他去認錯，顏司令為了他已經一天沒怎么吃東西了，聽聞至此，秦天終于決心去認錯。
認錯完畢后，差不多一天沒吃飯的顏司令和秦天坐在一起吃飯，秦天感慨不知什么時候才能開上自己國家產的飛機，顏司令稱總有這么一天，天安門上空，一定會有成千上萬架國產飛機飛過。西工院有一個飛行英雄報告會，顏司令建議秦天去，因為西工院是專門為新中國培養造飛機人才的，原本對此不太感興趣的秦天突然來了興趣，稱自己必須得去長長見識。
英雄報告會開始，航空系專業第一的趙德良并沒有去看，而是一直在研究自己的飛機模型，面對同學們的質疑，他絲毫不在意。秦天在報告會上演講，他將國家飛機的真實情況如實報告，開國大典上接收審閱的飛機型號五花八門，有的已經接近使用年限，自己飛過的時候也是膽戰心驚，希望諸位同學能夠努力研發國產的高質量飛機。
報告會尚未結束，秦天直接開溜，在禮堂外遇見了正在研究飛機模型的趙德良，趙德良對中國第一架飛機的制造者馮如先生表示了極大地敬佩。看著趙德良的飛機模型，秦天提出了當前飛不起來的原因可能是螺旋槳設計過大，趙德良茅塞頓開。
經過改裝之后，在“馮如號”飛機模型正式試飛之前，趙德良先帶秦天見了師姐徐夢，徐夢在報告會上見過秦天，她一把拉過尚以為秦天是學院小師弟的趙德良，將其真實身份告知，得知真相的趙德良大吃一驚。在諸位學子的見證下，“馮如號”試飛成功，大家受到了極大地鼓舞。
1950年6月25日，朝鮮戰爭爆發，幾個月后，秦天參與到志愿軍中入朝作戰，作為補給機，執行完任務回境后遭到了美軍戰機的尾隨。雙方在空中開戰，而此時受命去造飛機的包括趙德良、徐夢在內的技術人員目睹了這一切。趙德良看著國產先進飛機與敵方飛機的戰斗，非常興奮，被敵方發現，扔來一顆炸彈，幸虧同學及時將他們撲倒才避免了危險。在正巧路過的后勤補給人員曹慧芳帶領下，諸位人才平安到達遼寧安東機場。
遼寧安東機場全體職工為諸位學子的到來表示熱烈歡迎，當前朝鮮戰爭正打得激烈，雖然我國在軍事上有蘇聯的幫助，但是求人不如求己，本國的航空業必須盡快建立起來。周恩來總理命令杜教授和顏司令等人組建一支戰時快修隊，以培養一批優秀的航空工業人才。聽聞于此，諸位從各大高校選拔出來的優秀人才受到極大鼓舞。
趙德良、徐夢被分配到老修理工鄭有福手下，初次見面雙方并不愉快。鄭師傅在十二歲的時候就已經進廠做工，如今已經積累了豐富的實踐經驗，屬于只干不說類型，而趙德良作為知名高校畢業的高材生，理論功底扎實卻非常缺乏實踐，看著鄭師傅不依靠任何科學設備，只憑感覺來下手修理飛機零件，他對此表示了極大的不贊同。
秦天等人駕駛的補給機在經歷過空中戰斗后珊珊來遲，幾個高材生特意去機場觀摩真飛機，老友相見，分外開心。秦天所駕駛的飛機在戰斗中受損，經過蘇聯科學家當場檢查，認為當前的受損情況只能運輸到鐵路修理線進行修理。秦天對此表示否定，因為機場沒有牽引車，來回修理一趟太耗時，會嚴重影響備戰作戰。飛機場的眾多工作人員，用馬車、人力硬是把停在跑到外邊的飛機給拉回了跑道上。
對于飛機的修理，趙德良提出了自己的見解，認為飛機發動機故障或許可以通過更換部分零件來實現，而不必運輸到其他地方修理。鄭師傅嚴厲的批評了他，認為蘇聯專家都說機場當地修不了，一個剛畢業的學生怎么可能比人家專家還厲害。負責后勤保障的曹慧芳同志正好聽見了鄭師傅對趙德良的罵聲，她又嚴厲的批評了鄭師傅，不應該用惡劣態度對待人家剛畢業的同志。
在徐夢的提議下，待夜晚眾人睡著后，徐、趙兩人偷偷潛入車間想要私自修理發動機，被發現關了起來。張長江對兩人進行詢問，得知趙德良1944年時要求進步準備投奔革命去延安抗日，張長江認為1945年小日本投降，趙德良1944年參加抗日，這是投機行為。趙德良表示委屈，1944年的自己又不知道小日本會在一年后投降?？偠灾瑥堥L江仍然認為他思想有問題，并且當前嚴重違紀，要求關禁閉處理。
在經過思考下，秦天向顏司令和杜總工求情，當前人手緊缺，請求先行把徐、趙兩人放出來，讓他們在工作中反思錯誤。領導們表示同意。此時突然得到消息，一架執行任務從朝鮮返回的運輸機受損迫降在農田中，機場人全部出發連夜前去搶修，但飛機受損嚴重，已經報廢，杜總工認為把飛機有用零件拆下來可以修復好幾架受損的戰斗機，然而秦天不贊同，因為此地距離邊境較近，很可能會遭到敵機的襲擊，但是在諸位修理工的堅持下，只能同意暫時拆卸。
果不其然眾人點燃火把拆卸飛機被美空軍發現，連著兩撥掃射，飛機被炸爛，好幾位修理工犧牲。在第三次襲擊時，早就趕回機場的秦天帶著戰友駕駛飛機而來，擊退美空軍飛機。
秦天就自己飛機載油量問題與領導產生沖突，秦天認為可以在自家專家工人的幫助下盡快把載油量提上去，而杜總工堅持稱應該遵守蘇聯專家的意見。大會商討，蘇聯科學家堅持向上級匯報，由蘇聯運輸相關金屬材料以解決問題，而秦天認為為了節省時間，可以因地制宜的用現有材料進行替代，雙方話不投機。
會議內容被徐夢聽到，她急忙將此事告知趙德良。
徐夢認為或許可以自己找材料自己制造飛機副油箱，英雄所見略同，另一邊的秦天與戰友們也是想到了這個方法。由于與蘇聯有協議，中國人不可以私自研制飛機，因此只能秘密進行。秦天、江行建、趙德良、徐夢、曹慧芳五人組成的秘密研制副油箱小組正式成立，大家會餐一頓，開啟了秘密研制副油箱的過程。
經過討論，村里人家的白鐵皮可以稱為原材料，通過改變副油箱的形狀也許能夠提高材質的承受強度。說干就干，大家分工合作，夜晚時分摸黑在飛機生產車間研究相關資料，發出響動被巡邏的警衛員聽見，幾個人連忙關掉手電筒躲了起來。警衛員打算開門去檢查，被路過的張長江看到，張長江早雖然不是秘密研制小組成員，卻早就偷聽到了秦天等人在會餐時的談話，料到里邊的人是誰，于是借口車間里有老鼠而打發走了兩位巡邏人員。之后便特意走到車間門口，沖著里邊要求小點聲音。
因為秘密小組對副油箱的制造，近期相關零配件耗的非?？欤鎸μK聯科學家的察覺質疑，杜總工稱可能是大家最近飛機修理速度提升了。杜總工與秦天碰面，他早料到秦天等人必然在秘密的搞副油箱的事情，于是告知當前蘇聯人已有所察覺，得小心行事。
經過小組商議，既然蘇聯人愛喝酒，那么由徐夢、江行建、曹慧芳等人通過與專家喝酒的方式來把人拖住爭取修理時間。經過江行建、曹慧芳的連番灌酒，專家被灌倒。第七次副油箱建造失敗，找不到原因，徐夢認為或許可以找鄭師傅詢問一下。然而鄭師傅卻認為自己帶了兩個徒弟凈是溜須拍馬，連徐、趙二人的話都沒聽完就憤怒的走人了。
一位蘇聯教授給了杜總工一份副油箱的設計圖紙，杜總工將之交給秦天。徐夢在車間差點摔下樓梯，被江行建橫打抱起，兩人早就對彼此心儀，江行建將一本書送給徐夢，扉頁上寫下了自己的告白并約徐夢夜晚碰面。徐夢看到后很開心，然而被趙德良發現。趙德良與徐夢在學校就相識，一直很喜歡她卻沒表露出來，看到這個告白之后有些許落寞。
在曹慧芳的提議下，趙德良打算也直接向徐夢告白，行就行，不不行就不行。然而他的告白被拒絕，在徐夢心中二人是鐵打的革命兄弟情，從來不涉及男女之情。被拒絕，趙德良坦然，鼓勵她去找真心喜歡的人。徐夢赴江行建之約。
副油箱制造完畢，還差最后把油箱裝上飛機的步驟，這個步驟對專業技術要求非常高，目前只有鄭師傅可以做到。在曹姐的幫助下，鄭有福來到車間，原本害怕被蘇聯人責備的鄭有福耐不住眾多人的懇求，只能硬著頭皮上前操作。