一列車隊穿行在甘肅廣闊的沙漠里，團長李響(李麟 飾)帶領(lǐng)上甘嶺英雄團的戰(zhàn)士們坐在車上，他們一起高唱“歌唱祖國”，車隊行駛到陽關(guān)，戰(zhàn)士們謹(jǐn)記上級的命令，不問去哪里，也不問干什么。車隊在敦煌莫高窟進(jìn)行短暫休整，準(zhǔn)備了十天的給養(yǎng)以后繼續(xù)前行，目標(biāo)是新疆。半路上，戰(zhàn)士們饑渴難耐，李響派出三個小分隊去找水源，有戰(zhàn)士發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處有雄偉的高樓和清澈的海，不顧一切沖了過去，核基地張豐司令發(fā)現(xiàn)那不過是海市蜃樓的現(xiàn)象，急忙把大家都喊了回來。

李響和找水小分隊的戰(zhàn)士一無所獲，他們只好回來復(fù)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(zhàn)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，大家非常激動，一起沖向了河溝。李響把董大個的帽子和刺刀埋葬，為他立了衣冠冢，戰(zhàn)士們一起向他致敬。蘇聯(lián)專家捷列夫給中國送來早就淘汰的火箭，聶榮臻(曹克難 飾)陪錢學(xué)森(郭曉東 飾)仔細(xì)檢查了一遍，當(dāng)面揭穿了捷列夫的所作所為，聶榮臻提請捷列夫，要盡快把原子彈核心數(shù)據(jù)拿出來。

國家花重金從蘇聯(lián)買了一公斤的數(shù)據(jù)資料，鄧稼先發(fā)現(xiàn)那不過是一公斤的“養(yǎng)花手冊”，錢學(xué)森和聶榮臻都很生氣，聶榮臻第一時間向毛澤東(王雷 飾)匯報，毛澤東義憤填膺，當(dāng)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(shù)據(jù)模型，不久后，捷列夫離開中國返回蘇聯(lián)，中蘇徹底決裂。鄧稼先和120個團隊成員沒日沒夜核算蘇聯(lián)專家留下的數(shù)據(jù)，結(jié)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(jìn)行新一輪的驗算，鄧稼先的生日到了，錢三強(王勁松 飾)親自過來慰問，還給他送來一碗長壽面，勸他早點回去休息，可鄧稼先不想搞特殊，堅持和團隊成員同甘共苦。

錢學(xué)森請秦品元參加原子彈的研發(fā)，秦品元來到北京，可是需要嚴(yán)格的政審，軍改干部查出他哥哥在臺灣，便強行把他趕走了，錢學(xué)森得知此事后，立刻向聶榮臻匯報，聶榮臻親自帶軍改干部去火車站追秦品元，可火車已經(jīng)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(佟麗婭 飾)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，不久后，秦子衿被派往戈壁灘上的馬蘭基地，她準(zhǔn)時來報到，看到團長李響把戰(zhàn)士們涉及基地機密的信全部銷毀，反復(fù)提醒他們不許在信里寫關(guān)于基地的任何事，而且地址只能寫21號信箱，戰(zhàn)士們只想知道他們要干什么。

秦子衿拍下了這一幕，李響接到了上級命令，當(dāng)眾宣布這是國家籌建的原子彈基地，戰(zhàn)士們?nèi)呵榧^，一起投入了緊張和艱苦的建設(shè)中。鄧稼先帶領(lǐng)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(shù)據(jù)是對的，原子彈理論數(shù)據(jù)模型終于成功了，蘇聯(lián)專家故意提供了錯誤的數(shù)據(jù)來誤導(dǎo)他們，鄧稼先當(dāng)眾宣布了這個好消息，他深深鞠躬向團隊成員表示感謝，大家激動得歡呼雀躍。

1960年，由于天災(zāi)人禍，中國進(jìn)入困難時期，炊事班特意給毛澤東送來一碗肉，他堅決不吃，讓人給別的同志送去，周恩來(夏德俊 飾)向毛澤東匯報了一件事，有人建議暫緩兩彈的研究，毛澤東堅持不同意，寧肯勒緊褲腰帶，也要研究出兩彈?；鸺龑＜?role>郭永懷(李乃文 飾)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(jìn)展情況，他不感興趣，只關(guān)心火箭的進(jìn)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(jìn)喜和三十七名鉆井工人，王進(jìn)喜迫不及待地想馬上投入工作，余秋里勸他要先休息好，才能更好的工作。