20世紀50年代初期，新中國一直籠罩在美國核威脅的陰影之中，就是在這樣的大背景下，中國開始了核武器研究的偉大而又艱巨的征程。留美科學家鐘培林(牛飄 飾)教授要帶著自己的學術成果回到祖國，女兒鐘心(徐曉璐 飾)勸說父親不要這樣著急，可以等自己的學術結果完成之后再回國，但是鐘教授心意已決，科學沒有國界但是科學家有國界，新生的祖國還需要更多科學家去建設，沒有了祖國自己連名字都會沒有的。

鐘教授提著箱子秘密與一些留美的教授見面，其中就有一直被監(jiān)視的林教授，大家正在商量如何離開美國回到祖國的懷抱，美國警察就找上門來逮捕林教授，林教授遞給鐘教授一張紙條，讓他找到方明就能營救自己回國，隨后送走了大家，自己一個人去面對前來的美國警察。鐘教授等人面對美國海關層層審查，女兒鐘心早已和移民局打好關系加入到今天的檢查翻譯工作，為父親翻譯掩蓋了林教授留下的字條，使父親得以順利通過海關人員的檢查，她和父親分別時承諾祖國再見，父女二人依依不舍。

王懷民(李光潔 飾)和何吟薇是一對留蘇研究物理學的夫妻，蘇聯(lián)為了留住他們，開出了優(yōu)厚的條件，他們可以讓何吟薇和肚子里的孩子加入蘇聯(lián)國籍，受到最好的教育，二人能夠馬上進入國家科學研究院。以黃凱華(朱鐵 飾)為首的其他同學要離開蘇聯(lián)回去支援祖國建設，大家都有些瞧不起準備留下的王懷民夫婦，連招呼都沒打就離開了。這些深居海外的中國科學家響應祖國號召，放棄了比較完善的科研環(huán)境義無反顧地回到祖國，這其中也包括了王懷民夫婦，他們最終放棄了蘇聯(lián)開出的優(yōu)越條件而坐上了回國的列車，同學們都好奇王懷民和何吟薇為何要決定回國，已經進入到中國境內，妻子提示王懷民可以了，于是王懷民將深藏在畫中的科研數(shù)據(jù)展示給大家看，大家看到自己精心研究的數(shù)據(jù)被他們以這種方式帶了回來，都很是激動。

激情的歲月海報

王懷民要繼續(xù)將其余油畫上的數(shù)據(jù)展示給大家，準備用蒸餾裝置再制出更多的酒精去擦拭顏料來顯露數(shù)據(jù)，卻被解放軍陶志綱(李健 飾)營長出手制止，他以為這些歸國的科學家只是不學無術浪費糧食的文人，與大家一番爭執(zhí)后有些頭暈，他意識到自己的老傷可能犯了，于是拿走了那瓶酒并留下了錢。他是受傷從朝鮮戰(zhàn)場上下來的，戰(zhàn)爭的陰影和傷病還深深地影響著他，他只有暫時用酒精來麻醉自己，一下火車后他就被老戰(zhàn)友接走，當?shù)氐谖遽t(yī)院的護士楊佳蓉(高露 飾)和同事準備接他回醫(yī)院治療，但是陶志綱堅稱自己病已經痊愈，可他最終沒能拗過楊佳蓉，在她的一番勸說之下乖乖地去了醫(yī)院。

一路尾隨王懷民和何吟薇的特務在下車時伺機搶奪箱子里的資料，特務將何吟薇推到并奪走了箱子，王懷民在何吟薇的催促下拼命地去追特務，陶志綱見狀及時出手幫助。被特務推倒的何吟薇面臨早產和難產，楊佳蓉在旁邊幫忙處置。特務逃跑過程中手持武器傷人，在他即將挎上火車時被陶志綱用槍擊中，箱子被奪回了，但是王懷民卻因撞擊后腦而暈過去了，等他醒來之時與妻子何吟薇已是天人永隔，生下的男孩剛一出生就失去了媽媽。何吟薇臨終前再三拜托楊佳蓉要替自己照顧孩子，楊佳蓉為自己沒能挽回她的生命而痛哭地答應了她。

王懷民沒能從失去妻子的痛苦中走出來，他質問楊佳蓉為何沒能挽救自己的妻子，但是楊佳蓉作為一名護士對于產婦大出血的情況也是無能為力，陶志綱訓斥王懷民不要把所有的錯都怪罪在一個小姑娘身上。王懷民不斷地給妻子寫信來寄托哀思，表示失去妻子的自己唯有努力工作才能忘記痛苦，以自己一人之軀擔負起兩個人的理想，幸好兒子振理還有楊佳蓉幫忙照顧，否則他更加手足無措。而陶志綱在觀看戰(zhàn)斗影片時始終無法忘記戰(zhàn)場上犧牲的戰(zhàn)友對自己的一聲聲呼喊，他無法從戰(zhàn)場的陰影中擺脫出來，那種痛苦難以名狀。