在上个世纪60年代，在紧张的国际形势下，中国第一颗原子弹终于研制成功，随着壮丽的蘑菇云腾起，举国人民无不欢腾鼓舞，无数热血青年纷纷立志投身在毛主席的号令中，穿越崇山峻岭来到大西南，为国家的原子弹事业做贡献。故事就发生在中国大西南研制导弹基地。

在站台，随着火车的缓缓驻停，一名热情如火，青春洋溢的小姑娘陆若文（苏青 饰）高兴地从列车上下来，向等候在那的导师高占武（任程伟 饰）汇报情况，陆若文汇报完情况，故意向高占武说自己已经得到调令，可以去基地上班了，她的小伎俩被高占武识破，高占武让她拿出调令，陆若文看到谎言败露，于是百般给他说好话，但高占武坚决不肯把她留在这里，还让她去候车厅休息，然后随着火车返回。

一同下火车的向晴（练束梅 饰）看到陆若文遭到高占武的回绝，想替陆若文求情，忽然看到大学同学张利军（杨烁 饰）来接她了，和老同学重逢，向晴兴奋地抱着张利军，还给他戴上了一顶新帽子。张利军，军人子弟，是个一身热血的大学生和火箭工程师，性格桀骜不羁，率性而为。他将自己的好朋友马朝阳介绍给向晴认识，听到她说陆若文也来了，两个人飞快地跑到调度室。

调度室里，陆若文向她的大学同学张利军和马朝阳哭诉，如果谁能让她留在基地，自己就嫁给她，张利军和马朝阳想向高占武求情，没等他们开口，高占武直接告诉他们，谁想跟着她，可以随时回去。  两个人也没有办法。

调度室里的调度员姜又发看到陆若文哭红的眼睛，告诉她，自己有办法让她混进基地，陆若文便听了姜又发的办法，偷偷钻进运往基地的卡车车厢，蒙混过层层警戒。基地王副主任发现火车刚到站，基地就出现了敌方电台信号，为了不打草惊蛇，没有大肆声张。第二天，张利军把基地的同事刘连柱和他的爱徒梁玉强都给向晴介绍了一下，向晴觉得车间的刘连柱师傅冷冷冰冰，张利军却告诉她，这个师傅在制造火箭方面是全能，大领导来了都要给他倒水。无意中听到张利军喜欢陆若文，向晴没好气地拿回了自己的帽子。

仓库的同志发现了冻晕里面的陆若文，赶紧汇报给了上级，担心情报泄露，上级立刻决定对陆若文实行隔离审查。在调查室，陆若文一口咬定没有人帮她，全部是她自己一个人混进去了，接着还说出了基地各个部门的工作内容和作用，连各个部门的编制都摸的一清二楚，为了防止她说出更多的机密，徐处长立刻让人把她关进了监狱。

基地的王副主任惊讶一个小小的陆若文竟然知道这么多秘密，于是向高占武兴师问罪，高占武告诉他，自己并没有泄密，恰恰相反，这个陆若文在制作导弹方面的知识很渊博，但由于她资本主义小姐的身份所以迟迟没有被调进基地，自己也正在做工作让她以合法的方式调回这里工作。王副主任了解到当天接触到陆若文的只有马朝阳和张利军，因为马朝阳当晚就探亲回家了，所以郑重调查了张利军，张利军完全否定了私自帮助陆若文的事情，还说关系到国家安全的事情，自己是绝对不会含糊的。

接着王副主任向基地的司令员汇报陆若文的处理意见，他和政委都决定要把陆若文移交军事法庭处理，司令员没有异议，还建议他利用这件事好好教育基地的年轻人做好保密工作。张利军听到这个消息生气地责备高占武见死不救，高占武思来想去，只好带着向晴到基地的司令部。见到自己的司令员父亲，向晴向他陈述了陆若文的事情，没想到一直铁面无私的父亲还是坚持自己的处理意见——将陆若文移交军事法庭处理。张利军想摸黑混进监狱，没想到被警卫员抓个正着，基地四处守卫森严，张利军只好作罢。

向晴向自己的父亲讲了火车上她和陆若文相识的经过，陆若文给她讲的自己的志向和抱负，她告诉向晴，自己那么勤奋好学，到头来只是因为政治出身等等问题被研究基地拒之门外。那一晚，司令部的灯火彻夜未熄，这注定是个不眠之夜，高占武，向晴，张利军都在为陆若文的命运而努力。

第二天上面下达了将陆若文转移监狱的命令，司令员一早来到监狱门外，他再次问陆若文是怎样知道基地的编制和各部门的工作情况，陆若文告诉他，因为自己所学的专业告诉她，要想研制导弹系统，必须有这些部门做基础，即使自己被关进监狱，等到十年二十年自己被释放之后，依然会再次学习自己的专业，实现自己的梦想。司令员听了很感动，觉得像这样有志向的年轻人不可能是特务，于是重新向上级发出申请，让陆若文回到基地做研发工作。

陕西南部，马朝阳回到自己老家，原来是父母让他回来和张兰成亲的，张兰是他们家的童养媳，这些年马朝阳求学在外，他父亲中风几乎不能行走，家里全是张兰一个人照顾。马朝阳心里有了陆若文，并不同意这桩包办婚姻，但他的父母觉得不能对不起张兰，于是硬逼着他答应。

陆若文终于来到了基地工作，看到严谨整洁的工作环境，忙碌又专心的科研人员们各司其职并且有条不紊，陆若文内心满满的振奋，她感激地告诉向晴，是一个说着四川方言的老军人救了她，向晴窃喜——那不是自己当司令的爸爸吗，她问陆若文和张利军到底是不是情人关系，陆若文郑重告诉她，“导弹不成功，火箭不上天，自己是不会谈恋爱的“。

列车再次停靠在站台，基地的同志已经摸清了规律，只要一有火车停靠此地，敌方的电台便会有信号发出，于是趁着这次机会一举展开搜捕，终于他们发现了调度室里的牛三原来是特务。首长来到基地视察情况，看到自己的帽子被向晴偷偷送给了张利军，自己已经明白了，基地的领导同志对首长给他们带来的陆若文很满意，觉得她的能力很强，刚来几天就做出了成绩。

陆若文自从来到基地，对张利军爱理不理的，并且刻意保持距离，她告诉马朝阳，今后要继续和他保持纯洁的同学关系，直到他们实现自己的理想。没过几天，马朝阳就从老家回来了，看到陆若文也在基地，开心的不行，张利军故意告诉他，是自己帮的陆若文，马朝阳吃了张利军的醋，两人开始互掐起来。张利军觉得自己和陆若文是门当户对，让马朝阳早点给他们腾地方，马朝阳一改常态，竟然答应要退出，不跟他争了。

基地召开诸葛亮科技会议，火箭专家当众点名表扬了张利军编制的装备手册，和马朝阳推广的统筹方法，这些举措都非常实用，司令员也对他们的发明非常赞赏，号召众多科研人员发扬臭皮匠精神，让祖国的导弹事业早一点跻身世界前列。所有参加会议的人员热血沸腾，纷纷挽起袖子，准备为祖国的昌盛大干一场。

会议中，部长们忆苦思甜，告诉在场的所有年轻人：以前国家寄希望于苏联能够帮中国实现导弹上空的问题，可是没过多久，苏联却撤走了所有的专家和材料，他们以为这是给中国致命的一击，但仅仅过了半年时间，导弹却真的上空了，这说明中国人的智慧，中国人的才识丝毫不比外国人差。一时间掌声雷动，在场的所有人被部长的讲话感染，对基地的未来更加有了信心。

火箭在研制的过程中发现了新的难题，由于加温设施没有跟进，导致火箭的动力大大降低。知道了这个软肋，经过几个夜的凝思苦想，陆若文发明了一个空气加温器装置，她拉着向晴去给上级汇报，没想到办公室里领导们正在开会，在首脑的机要会议上，几个领导对她们的发明赞不绝口。随后命令陆若文当研发小组组长，让张利军做副组长，一起研究在导弹中加设空气加温器。

食堂的饭桌上，因为追求陆若文的事情，张利军责怪马朝阳不守信用，说好的要退出，可一看到陆若文又禁不住开始表现，他故意嘲笑马朝阳不识斤两，卖弄学识，忽然听说马朝阳真的直接破格被评为工程师，醋坛子打翻了，连饭都吃不下了，马朝阳安慰他，今后有的是机会，这仅仅是第一批，听到这些，张利军又转嗔为喜，接着回去端碗吃饭了。

大梁在制作火箭材料时不小心废了一块料，刘连柱师傅直接让他罚跪，陆若文看不下去了，要拉着大梁站起身，刘连柱并不应允，两个人开始僵持不下，陆若文哭着给高占武报告，高占武却觉得刘连柱没有做错，废了一块料相当于用掉老百姓整整一年的口粮。陆若文知道自己错了，赶紧央求高占武帮自己打圆场。

在加工空气加温器过程中，张利军和陆若文相互协助，工作进展地很顺利，陆若文让张利军帮自己做一个镜子，张利军也总能积极实施，两人配合得几乎天衣无缝。院长观摩完他们的科研成果后，决定第二天开始实战打靶。

到了晚上，实验室的同志们提前为陆若文准备了庆祝晚会，他们恶作剧的在气球里放上了各种惩罚的纸条，有人抽到了为全车间的人打一星期开水，有人抽到了为车间的人削一个星期铅笔，张利军抽到的是学狗叫，而陆若文抽到的是演唱一首“喀秋莎”歌曲，听到她甜美的歌声，马朝阳深深陶醉其中，他决定退掉父母包办的婚姻，于是在晚上夜深人静时给张兰写了信，信中他告诉张兰，自己只想把她当妹妹一样照顾，因为他们之间没有共同语言，所以觉得他和张兰的结合是不会幸福的。