1935年，程嘉樹在美國求學，而祖國正遭受磨難。當時日本侵略者正大肆鼓噪華北五省自治，意圖全面控制中國。同年12月9日，北平數千學生舉行抗日示威游行，掀起了全國抗體救國高潮。1936年5月，日本開始增兵華北，日本華北駐屯軍駐扎盧溝橋。1937年7月初，程嘉樹乘坐輪船回到了闊別六年的北平，再見到父母親和哥哥，他們彼此都心情雀躍。另一邊，母親花錢讓人給女兒林華珺做了一身衣服，讓她穿著這身衣服去觀看北大清華籃球友誼賽，順便把清華的葉潤名請回家吃飯。
父親程道襄讓程嘉樹好好準備，留在國內報考清華。程嘉樹倒也不是非要回美國，只是不想自己的人生被父親安排，哥哥程嘉文苦心對他說了幾句話，令程嘉樹無言以對。程嘉樹按照父親的要求，去清華拜訪了在清華大學圖書館當圖書管理員的表姐方悅容，同時去探望了在清華物理系讀書的摯友畢云霄，還觀看清華和北大之間舉行的一場籃球友誼賽。畢云霄摔倒，程嘉樹代替他打一場，只是球賽還沒結束，就有同學急匆匆地過來告知眾人，日軍把虛彈演習變成了實彈演習，已經在長辛店開炮了。
那一天，群情激憤，如火山爆發，程嘉樹和清華北大的同學們一起上街發傳單，去市政府請愿，和警察發生了激烈沖突，結果被警察以尋釁滋事的罪名關到羈押處。程嘉文安撫母親別擔心，他一會兒就去警察局找曹局長。中國文學系副教授、國立北京大學秘書長鄭天挺和北京大學中國文學系助教裴遠之去和曹局長交涉，但無功而返，不過他拿回了被羈押的學生名單。而后，國立清華大學文學院院長、哲學系主任馮友蘭和清華大學教務長潘光旦，以及鄭天挺等幾位教授前去警察局要求見曹局長。馮友蘭表示學生在哪兒，老師就在哪兒授課，半是威脅半是請求的話語，最終讓曹局長妥協，釋放了所有被關押的學生。
回到家，林華珺被母親說了一頓，不把葉潤名請回家吃飯也就算了，還上街去鬧事。母親給程嘉樹身上的淤青擦藥，提出過完程道襄的六十大壽，讓兒子趕緊回美國，但程嘉樹卻改變了主意，他決定要考北大。1937年7月7日，侵華日軍向宛平城發起猛烈炮擊，抗日戰爭全面爆發。國民革命軍29軍37師219團3營的陣地上，畢云霄戴著個帽子在努力地挖戰壕。哥哥畢云峰讓他趕緊離開，畢云霄也是個暴脾氣，和哥哥在戰場上打起來，畢云霄如同一個莽撞愚蠢的弱雞，對上畢云峰，顯得很是不堪一擊。
就在此時，日軍的飛機飛過來，投下一枚枚炸彈，將營地炸得凹坑不平。雙喜奉命看著程嘉樹，程嘉文下班回來后，將外面的局勢說給他們聽，同時提醒母親要多囤點糧食。程嘉樹跳樹跑出家門，把剛出門的林華珺嚇了一跳，而后兩人一起去了29軍勞軍。程嘉樹看到渾身是血的傷員被一個個從車上抬下來，忍不住跑到一邊干嘔。他沒見過這樣血腥的場面，但看到葉潤名在做這些事，程嘉樹也上前幫忙。
晚上，29軍37師副師長畢保中來看服務團的學生們，畢云霄不相信日軍能坐在談判桌上談判，現在這么做是為了調兵拖延時間，因而他想當兵和日軍打。林華珺問畢保中，這場仗還要打多久，其實這個問題畢保中也回答不了，但只要二十九軍還有一個軍人在，拿槍就不是學生們的事，可學生們都想為抗戰出一份力。
畢保中告訴學生們，軍人報國是在戰場上沖鋒陷陣，學生們報國是在課堂里、在試驗室里、手術臺上。現在中國最缺的是興邦衛國的人才，而這些人才就在中國的最高學府里，他們應志存高遠，將來學以致用，每個人都應該施展抱負，他們的知識就是國家的力量。畢保中一番話，讓在場的學生們無一不動容。夜里，一陣炮火聲讓他們驚醒，日軍趁談判期間，在塘沽卸下了十萬噸軍火，關東軍的兩個團已經抵達豐臺，畢云峰讓畢云霄務必把同學們撤離到安全區，但同學們要求在后方盡一份力。
那是一個不眠的夜晚，所有人都被炮火和鮮血震撼，生命如此堅強，但又如此脆弱，轉瞬即逝。日軍鐵蹄之兇殘，國民反抗之無力，無數的生命在炮火之中戛然而止，服務團的學生們一個接著一個搬運傷兵離開戰場。那一夜，無論是誰，死亡一視同仁。有重兵的傷員掏出自己的遺書交給林華珺，有心如死灰的傷員舉槍要自殺時被葉潤名及時阻止。程嘉文來服務團把程嘉樹找回去，林華珺從他口中得知天津多地失守，葉潤名的妹妹葉潤青還在南開大學，但此時葉潤名還沒回來，林華珺說什么也要去天津。
日本調集大量軍隊直逼天津，日本華北駐屯軍司令部的新聞發布官還在新聞發布會上宣布要轟炸南開大學。程嘉樹林華珺搭乘救護車到南開營救葉潤青，一番詢問后得知葉潤青正在和同學們搶救書籍資料。在尋找葉潤青時，程嘉樹和林華珺走散，日軍的轟炸機出現在學校上空，悍然轟炸了南開大學，程嘉樹找到了葉潤青，但她又折返回圖書館和老師們一起搬書。隨后程嘉樹和林華珺終于找到彼此，炮火中，程嘉樹抱著林華珺躲到一旁。炮火下，圖書館被炸毀，程嘉樹安撫林華珺，他回去救葉潤青。
葉潤青的好友糖墩兒在轟炸中死去，程嘉樹只救出了葉潤青。美麗的校園，在炮火中變成斷壁殘垣，經歷這一切的所有人，在一夜之間都長大了。畢保中把一塊手表禮物補送給畢云霄，作為他二十歲的禮物，但畢云霄沒有要。他一心要當兵，不愿再讀書，父子倆鬧得很不愉快。畢保中不知道自己還有沒有機會把手表給他，便讓大兒子畢云峰替自己轉交。在談判的掩護下，日軍轟炸了南開大學及其周邊的地區，也向北平南苑發起了猛烈攻擊，為了保護服務團的學生們，畢保中強行命令學生撤退。
上級已經下令南撤，但畢保中決定留下，無數的將士跟隨他，拼死守衛國土。學校被毀，南開大學校長張伯苓痛心大哭，國立清華大學校長梅貽琦和國立北京大學蔣夢麟默默離開。葉潤名沒看見林華珺，問了其他同學，得知程嘉樹帶她走了。畢保中沒能回來，他和三千將士與南苑共存亡，畢云霄沒想到，昨晚竟是自己和父親見的最后一面。1937年7月29日，北平淪陷，南開被轟炸成廢墟的新聞上了報紙。
看到報紙上的新聞，葉潤名著急要去天津找妹妹，程嘉樹和林華珺正好把葉潤青安然無恙地帶了回來。葉潤青哭著講日軍炸毀和燒毀南開的惡行，眾人痛心至極。日軍已經毀掉南開，北平淪陷后，北大和清華又豈能幸免于難。畢云霄看著父親送給自己的生日禮物手表，淚流滿面，他此時萬分后悔，如果當時他不頂撞父親，他是不是會走得開心一點。程嘉樹沒說話，默默地聽著畢云霄的哭訴。他們是學生，同時也是熱血的中國兒女，看著親人離去，國土喪失，惟痛惜憤懣，無可奈何。
中共北平臨時市委、學聯黨團負責人李群叮囑裴遠之，要好好引導學生們，保護好學生們的安全，不要再讓他們往槍口上撞了。梅貽琦委派馮友蘭和葉企孫代理清華的校務，他們和眾多老師一起堅守校園，守護清華。另一邊的北大，中國文學系副教授、國立北京大學秘書長鄭天挺暫時處理北大的事務，如果有人愿意留下來幫他，他感激不盡，如果有人想離開但沒有路費，也可以和他申請路費，裴遠之決定留下來。程道襄吩咐程嘉文把廠子關了，給工人們補發一個月的工錢。
程嘉樹回到家中，灰頭土臉，一身的滄桑和煙塵。直至在桌上和親人一起吃飯，程嘉樹堂堂七尺男兒，忍不住哭出聲。這趟去天津，他看到了太多日軍慘絕人寰的行為。考慮到目前的北平不太平，母親打算讓孩子們買票去美國，而程道襄自認已經老了，這里是他們的根，他們不該也不會離去。葉潤名心中郁悶，去和裴遠之聊，裴遠之提醒他，至暗時刻切勿迷失，唯有民眾覺醒，才是國家希望。日軍大佐率先進軍清華園，要求馮友蘭把所有的教材換成日語和漢語兩種語言，并把日語劃為必修課。
馮友蘭挺直腰板拒絕，一字一句地指出日軍的丑惡行徑，日軍才剛炸毀南開大學不久，就聲稱要來維護清華校園的安全，這樣的話，連傻子都不會信。馮友蘭對日軍大佐說了一句孔子的名句，語氣堅定地要求他們離開清華校園，記者們對南開大學校長的張伯苓進行采訪，張伯苓斷言日軍不會放過平津任何一所高校，但這次的轟炸只是在物質上摧毀南開，南開的精神依舊存在。轟炸事件過后，日軍開始對清華大學、北京大學蠢蠢欲動，妄圖展開文化侵略，各校師生都展開了自救的行動。
裴遠之帶了幾個北大的學生過來幫清華搬運古籍資料，然后就和方悅容認識了。馮友蘭栽下一棵樹，精心呵護，澆水剪枝，但不知下一次再見到這棵樹是什么時候了。國民政府教育部代表吳邦獻將草案交給南開大學、清華大學和北京大學的三位校長看，教育部決定，將三校遷往長沙，組成臨時大學，暫由三位校長擔任籌備委員會常務委員。方悅容和裴遠之在李群那里再次見面，原來兩人都是地下黨員，他們都服從組織的安排，離開北平前往長沙，而裴遠之需要接受方悅容的領導。
日軍毫無廉恥地強制接管清華園，讓日本的物理學家霸占了校園的實驗室，馮友蘭安撫同學們，在操場上觀看紀錄片，告別這座校園。