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行短暫休整，準備了十天的給養(yǎng)以后繼續(xù)前行，目標是新疆。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。火箭專家郭永懷(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展情況，他不感興趣，只關(guān)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。