焦裕祿病情惡化，因醫治無效死亡，年僅42歲，臨死前他還放心不下蘭考治沙防沙的情況。二十萬科研人員整整忙了九年的時間，終于完成了原子彈核心部分，只剩下鈾球最后三刀，鄧稼先親自送全副武裝的技術工人原公浦進入基地車間，秦子衿想進去拍攝全過程，鄧稼先不同意，擔心輻射導致她不孕不育，秦子衿只好在外面等。
秦子衿苦等了二十分鐘，鄧稼先和原公浦手拉手從實驗室出來，他們倆終于完成了最后三刀，秦子衿拍下這珍貴的一幕。李響主動報名做第一次核爆安全員的工作，秦子衿也要跟著飛機去執行任務，他們倆惺惺相惜。
聶榮臻陪周恩來觀看核爆試驗，周恩來看出他很緊張，聶榮臻深知這次核爆的意義，所有技術人員整整忙了十年之久，還有三百個人為之犧牲，他不敢掉以輕心，周恩來當即決定原子彈起爆時間定在10月16日下午三點，聶榮臻馬上去安排。
錢三強打電話向周恩來匯報，鄧稼先母親生命垂危，周恩來讓他安排最好的醫生和醫院進行救治，讓許鹿希決定讓不讓鄧稼先回來看最后一眼。錢三強征求許鹿希的意見，許鹿希也想讓鄧稼先回來，可是至今還沒有研究出成果，她替鄧稼先不甘心。
1964年10月16日，今天是原子彈起爆的日子，新疆羅布泊核試驗基地空氣中都多了幾分緊張氣氛，張覺特意讓炊事班準備了肉包子，可專家和戰士們都吃不下，張覺親自給郭永懷和鄧稼先送來包子。正好周恩來打電話到基地，特意轉達了毛澤東對大家的問候，他們倆在北京關注著原子彈的起爆情況，預祝實驗成功，郭永懷和鄧稼先頓時信心百倍。
下午三點，原子彈成功起爆，李響帶著戰士們去核心地區采樣，機組成員多次申請穿越蘑菇云，成功采集了樣本，經過專家分析，中國第一枚原子彈成功起爆，在場所有人都歡呼雀躍，鄧稼先和郭永懷激動地緊緊擁抱，他們終于可以回家看父母孩子了。
鄧稼先得知母親病重的消息，第一時間趕回北京，看到人們走上街頭慶祝原子彈研制成功，鄧稼先疾步如飛來到醫院。許鹿希看到報紙上原子彈爆炸新聞，迫不及待拿給婆婆看，婆婆激動地老淚縱橫，她不知道鄧稼先六年來一直在研制原子彈，不停地替鄧稼先可惜，遺憾他沒有參加原子彈的研制工作。鄧稼先急匆匆趕到醫院，他緊握母親的雙手，母親已經奄奄一息。
許鹿希來找錢三強，想讓鄧稼先如實向母親說明實情，了卻老人的心愿，錢三強立刻打電話向周恩來匯報，周恩來特批鄧稼先把這個秘密說出來，鄧稼先一五一十向母親說明實情，母親含笑九泉。
鄧稼先安葬了母親，許鹿希很委屈，她苦苦懇求鄧稼先說明實情，鄧稼先不能說，只是向她深深鞠躬，然后默默關上家門離開了。李響去醫院體檢，醫生從他的尿液和血液中都查出放射元素，秦子衿的身體里也查出少量的放射元素，她約李響來孔雀河邊詳談。
秦子衿一見面就向李響表明決心，她要在基地干一輩子，擔心身體里的放射物質不能生孩子，她不想耽誤李響，李響當即決定和她結婚，發誓保護她一輩子，秦子衿激動萬分，拿出結婚申請書，李響也拿出自己那一份，兩個人相視一笑。
1967年6月17日，中國的第一枚氫彈爆炸成功，鄧稼先和郭永懷一起喝酒慶祝，他們都因為受輻射影響有不同程度的掉發現象，兩個人惺惺相惜。隨后，鄧稼先去內蒙看在那里插隊的女兒典典，父女倆久別重逢，激動之情溢于言表，鄧稼先給典典送來幾罐肉罐頭，典典擔心以后吃不到會更難受，也不想搞特殊化，以免影響父母，讓鄧稼先把罐頭帶回去給媽媽和弟弟，鄧稼先深感欣慰。典典發誓要像鄧稼先那樣優秀，鄧稼先給她拿來一本英語書，首先教她學會祖國這個單詞。陸舫東抓緊一切時間學習英語，結果不小心把運電纜的車側翻，郭永懷讓戰士們檢查一下電纜，向司令申請讓陸舫東給他當助手，陸舫東自然求之不得。
錢學森求賢若渴，從全國各地找來了衛星相關專業的十八位研究員，孫家棟很開心，鼓勵大家只爭朝夕，再次創造奇跡。郭永懷收到在內蒙古插隊的女兒郭芹的來信，郭芹要買一雙鞋子，郭永懷就去商場買鞋，可他不知道郭芹的尺碼，就給自己買了一雙翻毛皮鞋。妻子李佩給他準備了大衣，郭永懷很納悶，李佩不問他接下來去哪里工作，可心里有數，答應會一直等他回來，郭永懷踏上了去青海的征途。
1968年12月5日，青海熱核基地狂風大作，伸手不見五指，郭永懷要帶陸舫東去北京匯報熱核試驗的結果，為了節省時間，他們倆乘坐飛機，半路飛機失事，郭永懷在這次空難中不幸身亡。
李佩得知郭永懷的死訊，她傷心地痛不欲生，遺憾郭永懷才活了59歲，郭芹在內蒙古聽到父親遇難的消息，她哭得死去活來。郭永懷的公文包里裝了數據資料和珍貴文獻，他和陸舫東死死抱著這個公文包，這些資料才得以保存下來，周恩來看到這些，讓錢三強和錢學森珍惜郭永懷用生命保護下來的資料，盡快完成原子彈的研制。經過專家組和技術人員不懈努力，終于完成原子彈的起爆。
1970年，王進喜帶領工人們開發大慶油田，他不怕苦不怕累，最后犧牲在油田。距離東方紅衛星發射還有121天，可革委會的工作人員把孫家棟和一些科技人員抓走，導致工作無法正常進行，錢學森氣得大發雷霆，他四處奔走，終于把孫家棟暫時解救出來。
孫家棟和錢學森不分晝夜，抓緊一切時間做實驗，直到一切正常，孫家棟再回學習班，1970年4月24日，孫家棟和錢學森一起站在窗前，仔細聆聽著第一顆人造衛星“東方紅”發射的聲音，他們倆激動萬分，蔣英鋼琴演奏“歌唱祖國”的曲子。
王梓被革委會的紅衛兵送回家，逼他把“歌唱祖國”那首歌改得面目全非，王梓堅決不干，他帶著視障學校的孩子們高唱這首歌，被抓去學習班，一塊被抓的還有施光南，他們倆惺惺相惜。
楊振寧要回美國，臨走前他向周恩來申請，才得以見到鄧稼先，楊振寧好奇他消失這么多年在忙什么，懷疑鄧稼先在搞兩彈，可又覺得不可能，這些技術只有美國和蘇聯能做，鄧稼先避而不談，親自送楊振寧離開。就在這時，鄧稼先接到周恩來辦公室的來電，他得到授權，向楊振寧一五一十說明實情，兩彈一星都是中國人自己搞出來的，楊振寧很吃驚。
中國正式成為聯合國，楊振寧看到這一新聞，不禁為鄧稼先感到驕傲。核彈沒有實驗成功，鄧稼先主動去現場勘查，李響要陪他一起去核爆中心，距離核心位置還有幾公里，鄧稼先強行讓李響停車，還把車鑰匙拔下來，鄧稼先冒著飛沙走石和狂風獨自趕往核爆區，突然一陣大風吹來，他站立不穩，被吹下沙丘，鄧稼先探測到核彈完好，用對講機通知部隊進場，可以再次起爆，他因為遭受核輻射呼吸困難。
鄧稼先回家休息，教兩個孩子做數學題，醫院把檢查結果打電話通知許鹿希，她頓時傻眼了。鄧稼先身體受到大量核輻射的侵蝕，他被迫住院治療，可他在病床上依舊堅持工作，許鹿希很心疼，忍不住埋怨他，鄧稼先覺得愧對她和孩子們，答應下輩子再來補償對他們的遺憾。
鄧稼先在醫院住了一年多，病情不見好轉，一個月后，鄧稼先病逝。
1996年，秦子衿和李響帶著兒子一起來祭拜秦品元，中央宣布了暫停核試驗的決定，李響和秦子衿終于等到這一天，兒子拿出錄取通知書，他要接父母的班，繼續航天事業。
1976年10月，華陽鋼鐵廠的工人們一起走上街頭，他們敲鑼打鼓，載歌載舞一起慶祝打倒四人幫，何詩卉和簡凡這對小情侶也在其中。冶金工業部的何濟滄正在日本訪問，當他得知“祝酒歌”的作者施光南也跟隨中國代表團來日本參觀，就留下來和施光南見面，兩個人聊起了中國鋼鐵業的發展，最后，何濟滄拿出女兒何詩卉的照片，拜托施光南在音樂方面多多指點。
何詩卉不想繼續留在華陽吃大鍋飯，她順利考上中央戲劇學院，簡凡幫她收拾行李，何詩卉勸簡凡也考大學，他們倆一起離開華陽，簡凡避而不答，兩個人依依惜別。華陽鋼鐵廠已經兩年沒有完成國家的指標，何濟滄和陳部長不約而同想要挽救華鋼。何濟滄臨危受命去華鋼廠做廠長，何詩卉強烈反對，堅持讓他留在北京，在文革的時候，何濟滄妻子就是在華鋼被迫害而死的，何濟滄放心不下華鋼五萬多職工。
簡凡的父親簡萬春一直在煉鋼一線，他工作兢兢業業。工人們兩年沒有領到工資，大家怨聲載道，馬勺帶著工人們來光榮大院找廠長歐陽彬要錢，歐陽彬被逼得無處可逃，多虧何濟滄及時趕來解圍，明確講明歐陽彬曾經是勞模，有資格住在光榮大院，他詳細講述了華鋼面臨的困難，簡凡業余時間倒賣雞蛋，他在旁邊起哄，歐陽彬好說歹說才把工人們勸走。
歐陽彬向何濟滄提出調離華鋼，何濟滄不同意，求他留下來一起挽救華鋼。執法人員要扣留簡凡的雞蛋，簡凡強烈抗議，馬勺還拿出三中全會的文章，力證簡凡的做法是合法的，執法人員見狀，只好悻悻離開。
何濟滄把簡凡叫到住處，鼓勵他拿出賣雞蛋的精力挽救華鋼，簡凡看出他的決心，第一時間去向父親華萬春報喜。簡凡照例把賣雞蛋掙的錢給何詩卉寄去，讓小馬把剩下的雞蛋原價賣給車間同事。
簡凡到郵局寄錢，正巧遇到同事宋勤勤，宋勤勤對他冷嘲熱諷一番。何詩卉這次考試成績墊底，班長鼓勵她下次加油，通知他去家里見施光南，施光南打電話約何詩卉見面，想聽聽華鋼青年突擊隊的故事，何詩卉準時來見他，施光南聽完她講的故事，當場寫了一首“假如你要認識我”，施光南自彈自唱，何詩卉不便打擾，她剛想離開，施光南讓她唱這首歌，何詩卉擔心自己不能勝任，施光南覺得她唱出了真情實感。
何濟滄打電話向部長求助，苦苦懇求部長給華鋼撥錢。隨后，何濟滄就來到職工醫院，看到馬勺把處方扔在地上，他趕忙過去詢問，了解到馬勺肺病很嚴重，可他沒錢買藥，何濟滄蹲守一天，看到100多個職工都是因為沒錢放棄治病。何濟滄立刻召開班子會，要求把技改資金拿出來給職工報銷藥費，解決職工的燃眉之急。
軋鋼車間設備出現技術問題，日本專家也無能為力，歐陽彬急得一籌莫展，簡凡建議讓助理工程師宋勤勤試一下，宋勤勤畢業于北京鋼鐵大學，一直被造反派壓制著沒晉升高級工程師，宋勤勤跟著日本專家調式設備，詳細記錄了所有的數據。歐陽彬立刻向何濟滄匯報，何濟滄對宋勤勤寄予厚望，讓歐陽彬盡快落實。
簡凡和馬勺賣了三百斤雞蛋，他們高高興興往回走，正好看到宋勤勤，得知何濟滄答應給她晉升高工，簡凡也替她高興，帶她去吃飯慶祝。從那天開始，宋勤勤就帶著技術人員一點點排查設備，飯都顧不上吃，馬勺就把飯送到車間。
何詩卉想借同學錄音機聽小樣，同學已經借出去了。簡凡終于攢夠錢想給何詩卉買一臺錄音機，沒想到何濟滄自己花錢買了一臺二手錄音機寄給何詩卉，勸她珍惜簡凡的感情。何詩卉用錄音機放出自己唱的“假如你要認識我”小樣，同學們被她的歌聲吸引過來，何詩卉拿出青年突擊隊的照片，想起在華鋼的點點滴滴，心里感慨萬千。
經過宋勤勤和技術人員不懈努力，終于把設備調試好，何濟滄讓宋勤勤親自啟動，設備正常啟動，工人們一起鼓掌歡呼。經過廠黨委研究決定，授予宋勤勤高級工程師的稱號，還送她去日本深造兩年，簡凡也替宋勤勤高興。