美軍司令麥克阿瑟下令對志愿軍坐在的東線戰場的小高嶺陣地狂轟亂炸，三連的戰士們冒著槍林彈雨和美軍展開激戰，打退了美軍一次次進攻，也付出了慘重的代價，三連只剩下連長楊根思和三名戰士，楊根思不顧戰友反對，堅持要獨自留下來阻擊美軍，楊根思看到美軍一點點靠近，他抱起炸藥包沖進敵營，和他們同歸于盡。
魏巍奉命來戰俘營了解美軍的思想情況，看到這里沒有圍墻也沒有鐐銬，美軍戰俘可以自由活動，他了解到美軍俘虜不會逃跑，因為中國軍隊優待俘虜，他們覺得這里是最安全的，而且戰俘們都堅信還有一個月就能結束戰斗，他們就可以回家了，魏巍提醒他們不要做白日夢，他們會在戰俘營待很久。
魏巍向戰俘營負責人于中智了解了美軍戰俘的情況，建議對他們進行思想改造，于中智讓戰士們高唱那首雄赳赳氣昂昂的歌曲，他激動萬分，魏巍當即決定去前線采訪，記錄志愿軍浴血奮戰的英雄事跡。
魏巍在前線的每一天，都被戰士們的精神感動著，他迫不及待寫了那首“最可愛的人”，來紀念那些抗美援朝犧牲的英雄們。38軍112師駐守松骨峰，師長楊大易親自督戰，三連的戰士們負責阻擊美軍，他們一共打退了美軍四次進攻，至少還有堅守九個小時，連長戴如義和指導員楊少成爭先恐后帶兵阻擊敵人，終于完成了任務，戴如義和楊義成戰死沙場，魏巍目睹了這一幕，他的心被深深觸動。
戰斗結束，楊大易來松骨峰吊唁那些犧牲的戰士們，耳邊響起那首雄壯有力的“中國志愿軍軍歌”，魏巍發誓要把他們的事跡全部記錄下來。警衛員詹浩然帶魏巍來到最前線，前面就是美軍的陣地，詹浩然保證好好保護魏巍，讓他用筆記錄下來戰場上的一切。
美軍地面部隊總司令李奇微看大勢已去，他決定放棄漢城，任憑韓國軍隊指揮官苦苦哀求，他毅然決然坐車離開了。連長李響得知魏巍從北京來，就向他詢問自己偶像毛澤東的身體狀況，得知毛澤東很健康，李響才放下心來。
中國志愿軍攻克漢城，文工團的戰士們在街頭演出，彭德懷收到戰報，得知美軍要卷土重來，他立刻進行周密部署。
彭德懷來找38軍副司令韓先楚，讓他這支萬歲軍以及50軍對付重新來犯的美軍，向他詳細講述了現在面臨的補給困難，以及這次美軍的來勢洶洶，韓先楚發誓保證完成任務。
魏巍目睹了戰士們不治身亡，他很痛心，連長王熙拜托魏巍把犧牲的戰士都記錄下來,美軍向志愿軍所在的漢江350.3髙地發起進攻，營長曹玉海帶領戰士們奮起反抗，可美軍越來越多，教導員方新抱起炸藥包和美軍同歸于盡，可美軍還源源不斷沖上來，曹玉海打電話向團長匯報情況，他知道這次會戰死沙場，拜托團長對他未婚妻的身份保密，讓未婚妻再找被人結婚。
曹玉海帶領戰士們浴血奮戰，最后死在陣地上，他手里死死攥著未婚妻臨行前送她的手帕。詹浩然帶魏巍來到髙地，看到了曹玉海臨終前寫的兩封信，一封是給未婚妻的，一封是給軍工部門，提出了改進武器的建議，魏巍心里五味雜陳，他一回國就奮筆疾書，寫下來在朝鮮戰場所見所聞和心理感受。
人民日報總編把魏巍的文章刊登在頭版頭條，毛澤東從頭至尾看完，當場批示“印發全軍”，讓每個戰士都學習志愿軍的英雄壯舉。毛澤東翻出毛岸英的遺物，毛岸英的音容笑貌言猶在耳，眼前卻陰陽兩隔，他傷心地老淚縱橫。
志愿軍新兵集結完畢，他們即將開赴前線，新兵黃繼光發誓要程瑋最可愛的人。志愿軍羅盛教和戰友們一起趕赴朝鮮戰場，幾名少先隊員來送他們，還給他系上紅領巾。抗美援朝犧牲的志愿軍戰士的奶奶來找魏巍，向他要寫孫子的文章，魏巍感覺自己做得遠遠不夠，就向陳沂請示，想記錄更多戰士的事跡，陳沂全力主持他。魏巍再次回到朝鮮，走訪了前線回來的戰士們，向他們了解了更多的英雄事跡。
黃繼光和戰友們一起看電影，被其中的情節感動，他在后來的戰斗中用胸口堵搶眼，不幸犧牲。羅盛教和戰友們一起練習投手榴彈，突然看到朝鮮的小朋友落入冰窟窿，羅盛教奮不顧身跳進去救人，他拼盡全力把孩子托出水面，自己卻沉入水底英勇犧牲，年僅21歲。
畢武斌和機組成員執行轟炸任務，掩護陸地上部隊作戰，結果再遇美軍三十余架飛機的圍追堵截，畢武斌駕駛轟炸機和美軍同歸于盡。1953年，美軍簽署停戰協議，三年的抗美援朝戰爭也終于結束了，彭德懷也在停戰協議上簽字，可他心里還有隱隱不安，擔心美國人不會遵守協議。
彭德懷回國前來慰問堅守陣地的戰士們，戰士用打下來的飛機殘片做的筷子送給彭德懷，彭德懷很感動，答應回去分給毛澤東和周恩來他們，最后，彭德懷向戰士們致敬。魏巍從安東浪頭機場乘坐直升機回國，不由地想起那些為國捐軀的英雄們，仿佛看到他們就活生生坐在旁邊，魏巍的眼淚奪眶而出。
1950年，中華人民共和國成立后第106天，秦子衿和妹妹秦子佩來到天安門廣場，她們倆很興奮，秦子衿的身體里還殘留一顆子彈，她耿耿于懷的是位于東交民巷的美國領事館還有駐軍。與此同時，李響帶解放軍來到美國領事館，領事柯樂柏硬著頭皮出來，李響向他宣布了一道驅逐令，因為中美沒有建交，他們只是普通美國公民，不能繼續住在大使館，柯樂柏只好乖乖離開，秦子衿和秦子佩看到這一幕，心里別提多開心了。
身在錢學森和郭永懷志同道合，他們倆一心想回國參加建設，可美國政府把錢學森的八個行李箱全部扣押，不許他離開住處，隨后，美國特工又把錢學森抓走。天津文工團的作曲家王梓來到北京，親眼目睹了物理學家鄧稼先回國，人們夾道歡迎，鄧稼先激動萬分，帶著大家一起高唱國歌，王梓在一旁伴奏。
王梓乘坐火車從北京回天津，他靈感大發，當場寫了幾句歌詞。王梓冒著大雨回家，身懷六甲的妻子王慧芬正在家里等他，王梓迫不及待哼唱起來新寫的歌曲，王慧芬突然腹痛難忍，眼看孩子就要出生了，王梓趕忙把她送去醫院，王慧芬生了一個女兒，王梓抓緊一切時間寫完那首歌。
王梓在收音機里聽到自己寫的那首“歌唱祖國”，他興奮地跟著一起唱，王慧芬也為他高興，王梓當即決定要參加抗美援朝志愿軍，王慧芬也不便阻攔。1955年，李四光和錢三強在廣西梧州發現鈾礦石，他們第一時間來向毛澤東匯報，鈾是制造原子彈最重要的原材料，周恩來建議讓地質學院的學生們提前畢業去開發鈾礦。
毛澤東不想再被外國列強壓迫，讓李四光和錢三強盡快著手原子彈的開發。秦子佩放棄了保研的名額，主動要求參加地質隊，秦子衿在新華社做記者，她來到火車站送她，苦苦規勸她不要放棄保研，可秦子佩覺得自己的工作更有意義，她想秦子衿保密。
秦子佩和同學們來到湖南郴州的大山深處探測，很快找到鈾礦脈，秦子佩想用這次的成果作為獻給國慶的禮物，她親自到懸崖峭壁上勘測，終于發現了礦脈的中心，她很開心，突然腳下一滑摔落山崖。
秦子衿來為秦子佩送葬，她傷心地痛不欲生，至今不知道秦子佩是做什么工作的，沒法向老父親交代。秦子佩的父親秦元是火箭專家，他得知秦子佩的死訊，傷心地無以復加。錢學森向祖國發出了求救信，美國留學生走上街頭游行示威，強烈要求放錢學森夫婦回國，美國政府迫于壓力，只好把錢學森和蔣英回中國。
錢學森和蔣英終于踏上了回國的輪船，他們倆站在甲板上百感交集，一起高唱“歌唱祖國”。錢學森一回國就被請到中央軍委講課，陳賡親自在大門外迎接他，陳毅和聶榮臻等開國大帥都在場，錢學森發誓要從今天開始創造奇跡，成立中國的火箭軍。
鄧稼先來找機械部部長錢三強報到，錢三強邀請他參加火箭炮的研發，可從今以后鄧稼先就要從學術界消失，不能發表論文，不能公開發表任何言論，對親人要保密，而且是無限期的，鄧稼先愿意遵守這樣嚴苛的要求。
鄧稼先妻子許鹿希是醫院的醫生，她下班匆匆趕回家給孩子們做飯，看到鄧稼先已經做好了，還把孩子們哄睡著了，許鹿希大惑不解。鄧稼先拼命討好她，這更讓許鹿希一頭霧水，飯后，鄧稼先把許鹿希叫出來單聊，他要換工作了，可能會消失很長時間，許鹿希理解他的不得已，也沒有多問，鄧稼先緊緊摟著許鹿希，兩個人像以前一起哼唱“楊家將”。