一列軍車隊穿行在甘肅廣漠的沙漠，團長李響帶領上甘嶺英雄團的戰士們坐在車上，他們一起高唱“歌唱祖國”，車隊行駛到陽關，戰士們謹記上級的命令，不問去哪里，也不問干什么。
車隊到敦煌莫高窟進行短暫休整，準備了十天的給養以后繼續前行，目標是新疆，半路上，戰士們饑渴難耐，李響派出三個小分隊去找水源，有戰士發現遠處有雄偉的高樓和清澈的海，不顧一切沖過去，核基地張豐司令發現那是海市蜃樓，趕忙把大家叫回來。
李響和找水小分隊的戰士一無所獲，他們只好回來復命，可董大個卻遲遲未歸，李響趕忙帶人去沙漠里尋找，先看到董大個的帽子，李響傷心不已，董大個沒死在戰場上，卻在沙漠里送了命，李響隨后又看到扎在枯木上的刺刀，刺刀所指的方向是一處河溝，李響他們激動萬分，一起沖向河溝。
李響把董大個的帽子和刺刀埋葬，為他立了衣冠冢，戰士們一起向他致敬。經過張峰辟邪努力，終于找到了適合建基地的地點。蘇聯專家捷列夫給中國送來早就淘汰的火箭，聶榮臻陪錢學森仔細檢查了一遍，當面揭穿捷列夫的所作所為，聶榮臻提請捷列夫盡快把原子彈核心數據拿出來。
國家花重金從蘇聯買了一公斤的數據資料，鄧稼先發現那是一公斤的“養花手冊”，錢學森和聶榮臻都很生氣，聶榮臻第一時間向毛澤東匯報，毛澤東義憤填膺，當即決定把原子彈計劃定為“596”，讓中國的專家盡快研究出原子彈數據模型。之后不久，捷列夫離開中國會蘇聯，中速徹底決裂。
鄧稼先和120個團隊成員沒日沒夜核算蘇聯專家留下的數據，結果都不對，他們只好一遍一遍驗算，一直到第四遍還是不符，鄧稼先只好讓大家進行新一輪的驗算。今天是鄧稼先的生日，錢三強親自來慰問，還給他送來一碗長壽面，勸他早點回去休息，鄧稼先不想搞特使，堅持和團隊成員同甘共苦。
錢學森請秦品元參加原子彈的研發，秦品元來到北京，可是需要嚴格的政審，軍改干部查出他哥哥在臺灣，強行把他趕走了，錢學森得知此事，立刻向聶榮臻匯報此事，聶榮臻親自帶軍改干部去火車站追秦品元，可火車已經開走了，聶榮臻派軍改干部買下一趟去重慶的火車親自去請，還讓他帶上自己的鋼筆做信物。
秦品元同意跟軍改干部回北京，臨行前，秦品元給秦子衿寫了一份信，地址是20號信箱，秦子衿知道父親也像姐姐一樣做保密工作，之后不久，秦子衿被派往戈壁灘上的馬蘭基地，她準時來報到，看到團長李響把戰士們涉及基地機密的信全部銷毀，反復提醒他們不許在信里寫關于基地的任何事，而且地址只能寫21號信箱，戰士們只想知道他們要干什么。
秦子衿拍下這一幕，李響接到上級命令，當眾宣布這是國家籌建的原子彈基地，戰士們群情激奮，一起投入了緊張和艱苦的建設中。鄧稼先帶領團隊成員整整忙了一年多，核算了九遍之多，鄧稼先終于想明白一件事，他們核算的數據是對的，原子彈理論數據模型終于成功了，蘇聯專家故意提供了錯誤的數據來誤導他們。鄧稼先當眾宣布了這個好消息，他深深鞠躬向團隊成員表示感謝，大家激動地歡呼雀躍。
1960年，由于天災人禍，中國進入困難時期，炊事班特意給毛澤東送來一碗肉，他堅決不吃，讓給別的同志送去，周恩來向毛澤東匯報了一件事，有人建議暫緩兩彈的研究，毛澤東不同意，寧肯勒緊褲腰帶，也要研究出兩彈。
火箭專家郭永懷來新疆羅布泊靶場做實驗，看到這里黃沙漫天，司令向他匯報原子彈的進展情況，他不感興趣，只關心火箭的進展，司令覺得這兩個根本分不開。石油部長余秋里親自來車站接從玉門趕來的王進喜和三十七名鉆井工人，王進喜迫不及待想馬上工作，余秋里勸他先好好休息。
中蘇關系徹底破裂，蘇聯專家從遼寧鞍鋼撤離，不但拿走了他們的資料，把鞍鋼工人多年積累的技術資料一起拉走，工人們很生氣，副廠長鼓勵大家從頭再來，工人們跟著他一起高喊“百煉成鋼”。
1959年到1960年，全國大部分地區遭遇前所未有的自然災害，糧食顆粒無收，核驗基地時常斷糧，戰士們寧可餓肚子，把省下來的糧食分給科學家和技術人員，司令張覺和李響都心急如焚。張覺主動把自己的口糧讓出來，副所長郭永懷苦苦規勸也無濟于事，張覺就想早一天完成基地建設的任務，郭永懷保證會準時竣工。
由于糧食短缺，張覺只好讓科學家和技術人員先放假回家，郭永懷回家看到女兒芹兒鬧著不吃窩頭，賭氣扔在地上，郭永懷狠狠教訓了她一頓，給她講起基地戰士沒有飯吃還繼續干活，妻子李佩趕忙過去哄芹兒。張覺走投無路，只好來病房找副總理聶榮臻乞討，聶榮臻了解了基地的現狀，立刻打電話給北京軍區，向他們募捐了一批糧食。
陳毅來看聶榮臻，得知基地的科學家們在挨餓，他趕忙給海軍司令員打電話，以個人的名義向司令要了一些海帶和魚干，張覺連連鞠躬向他們倆表示感謝，笑稱自己是最高級別的叫花子。國防部第五研究所所長錢學森親自來請郭永懷參與原子彈爆炸環節的設計，郭永懷不想生產殺傷力這么強的武器，錢學森苦口婆心勸他，明確講明對待外國列強就得以牙還牙，否則只會被動挨打，郭永懷答應好好想一想，錢學森送給他一張第二十六屆世乒賽的門票。
中國男子乒乓球隊不負眾望戰勝日本隊，獲得這一屆世乒賽的冠軍，郭永懷看完這場比賽，他深深感受到利劍出鞘的痛快，迫不及待打電話向錢學森匯報自己的感受，要求加入原子彈爆炸環節的設計。錢學森一直守在電話旁，終于等到郭永懷的電話，他激動連連稱好。李佩無意中發現郭永懷沒在原單位上班，心里大惑不解，郭永懷不能說明實情，只能找借口掩飾過去。
焦裕祿是河南第二機械廠的技術科長，他看到工人們吃不飽飯，就向廠里寫申請，卻遲遲得不到批復，焦裕祿心急如焚，因舊病復發暈倒在地。之后不久，焦裕祿被抽調到農村，他毫無怨言，廠長逼他把病治好了再去。
聶榮臻病愈出院以后，他第一時間去“東風”號火箭發射基地慰問秦品元，為之前政審的事向他賠禮道歉，秦品元很感動，沒想到聶榮臻還記得這些小事，聶榮臻鼓勵秦品元大膽做實驗，愿做他堅強后盾，錢學森和秦品元一起在申請書簽名。“東風”一號火箭順利升空，在場所有人都歡呼雀躍，聶榮臻激動地熱淚盈眶，對錢學森和秦品元寄予厚望，希望他們三發三中。
經過基地所有技術人員的不懈努力，終于實現了三發三中，毛澤東收到這個消息，他激動萬分，迫不及待和周恩來一起分享成功的喜悅。李響帶領戰士們加班加點干活，秦子衿聽說他們偷工減料，把技術員都氣跑了，就來工地拍照取證，秦子衿發現戰士們用孔雀河的鹽堿水和混凝土，就去找李響理論，李響連連解釋附近只有孔雀河，戰士們都吃這鹽堿水，如果要用清水，就得去200里地以外，秦子衿不依不饒，逼他盡快停工，李響一氣之下扛起她就走。張覺聞訊趕來，狠狠教訓了李響，鄧稼先來匯報施工質量的問題，建議把建好的部分炸毀。
張覺不同意把戰士們撤掉，向鄧稼先詳細介紹了李響率領的上甘嶺英雄團戰士們的英雄事跡，而且戰士們從來沒有喝過一杯清水，把省下來的水都給科學家和技術人員，秦子衿和鄧稼先都很感動，張覺決定把所有的軍車全改成運水車。
李響親自帶三輛車去200里以外運清水，隨行的戰士陸舫東想喝一點解解饞，李響不同意，車隊順利來到馬蘭基地，秦子衿主動提出讓戰士們喝清水，李響不舍得，因為汽油更貴。秦子衿拿出大慶油田已經開采出石油的好消息，李響當即下令所有戰士喝清水，戰士們開心地歡呼雀躍，秦子衿這一幕，感動地熱淚盈眶，在茶缸上寫了“最可愛的人”送給李響。
1962年，東風號導彈發射失敗，只用了八秒就掉下來，把地面砸了一個深深的大坑，錢學森得知此事，立刻帶秦品元前往東風基地，總設計師林津守在大坑前嚎啕大哭，錢學森勸他不要沖動，先找出來失敗的原因。錢學森帶著基地所有人在沙堆里篩零件和碎片，希望從中找出失敗的原因。
錢學森讓大家把收集的碎片和零件都擺在地上，不分晝夜開始整理分析，他幾天幾夜不眠不休，妻子蔣英心急如焚，擔心錢學森被特務暗殺，她只好去找聶榮臻求助，聶榮臻打電話給錢學森，錢學森發誓不找到原因就不回家，聶榮臻向蔣英解釋了其中緣由，蔣英得知錢學森很安全，在幫國家做很重要的工作，她才安心。
秦子衿拜托李響開車帶基地的女同志們去孔雀河洗澡，李響還派了兩撥戰士分別在上游和下游站崗放哨。經過所有技術人員的不懈努力，終于找到事故原因是一根電線。秦品元做推進劑試驗，就在試驗成功的那一刻，突然發生爆炸，秦品元被炸成重傷，他拼勁最后一口氣，拜托錢學森幫忙找到女兒秦子衿。
秦子衿收到父親的死訊，她傷心欲絕，李響奉命送她去火車站，一路上，秦子衿都以淚洗面，李響讓她哭出聲來。秦子衿來到父親墳前，她痛不欲生，錢學森也為之動容，勸她節哀，秦子衿擔心父親不是黨員不能當烈士，錢學森保證會追認他為烈士。組織上決定讓秦子衿調回北京，秦子衿堅決不走，要繼續留在基地。
作曲家王梓和秦詠城來大慶油田慰問演出，王進喜帶著工人們一起高唱“歌唱祖國”，然后就投入緊張的勘察工作，王梓希望秦詠城寫一首關于石油工人的歌曲，秦詠城很快就完成了這首歌，受到工人們一致好評。
李響對秦子衿漸生情愫，他鼓足勇氣向秦子衿表白，秦子衿答應等完成父親臨終夙愿，把推進劑提高百分之八的任務完成再說。錢學森和團隊成員終于研制出東風二號導彈，他想盡快發射，張覺擔心再出事故，就打電話向聶榮臻匯報，聶榮臻讓他聽錢學森的，錢學森向發射基地下達命令。東風二號準確命中500米以外的目標，在場所有人都激動地歡呼雀躍，秦子衿躲在一邊潸然淚下，向去世的父親匯報這個好消息。
焦裕祿奉命到河南蘭考任職，他帶著趙剁樓的村民們當年就完成畝產，焦裕祿卻因為舊病復發住進醫院，他一心想回蘭考。