两弹小组除了大家的一腔热情只剩下重重困难，陶志纲带着几位刚分配下来的新同志到实验室和大家见面，其中有一位叫常玉婷的女生直接对着王怀民做自我介绍，王怀民对其态度平常。黄凯华被调到两弹结合小组，但其为639准备的一系列理论知识就要转移给黄凯华，即使再觉得可惜也表示自己会遵从上级安排好好工作的。陶志纲和钟心在操场散步，聊着如何让钟心的父亲钟培林同意二人的婚事，正巧看见杨佳蓉独自坐在操场边垂泪。

杨佳蓉手中拿着王怀民给的信抱住钟心说自己很难受，陶志纲和钟心才知道王怀民的情况，陶志纲倒是果决提议霸王硬上弓，把酒席、宾客和新娘子都准备好直接逼迫王怀民成婚，但是钟心认为王怀民的决定倒是为两人以后着想，结为夫妻之后要面对的抉择可能更痛苦，杨佳蓉听不进一切提议质疑是否为国家做贡献的科学家都无法拥有爱情。王怀民依旧咳嗽不断持续研究，因为氢弹的爆炸当量计算不够，常玉婷却莽撞提出自己的算法被王怀民批评，只有彭雄飞为其说话。江水宁已经在生活区的供销社工作。

彭雄飞为自己没有当上主任感到有些不忿，倒不是在乎官位只是这关乎荣誉和组织的信任让其特别心寒，即使这样还是没有影响其继续研究爆轰。江水宁和黄凯华一起收拾屋子，黄凯华发现垃圾桶里有许多量子图形的草稿纸，黄凯华虽然有所怀疑但还是被江水宁掩盖了过去。第二日江水宁拿出自己给黄凯华买的新皮鞋还半撒娇似哄着黄凯华穿去上班。两弹结合小组内部分歧严重，钟心与人针锋相对，因为导弹研究组始终坚持要钟心小组将原子弹的设计完全服从于导弹。

钟教授及时赶到听取两边的意见，又竭力劝说两边不仅从技术层面思考两弹结合更要坚持两弹信念，克服困难完成任务。经劝导后才冰释前嫌，双方决定精诚合作。黄凯华因为去艰苦的地方工作所以把皮鞋换下交给江水宁清洗，江水宁把黄凯华鞋底的灰尘收集。指挥室内，彭雄飞正在分析试验进度，医院打来电话通知他李彩兰马上要生了。彭雄飞急忙赶往医院时，彩兰已经生下了女儿，彭雄飞高兴激动地不得了直呼女儿是爸爸的小棉袄。傅首长找陶志纲谈话说起他的感情问题，陶志纲表示自己会坚持，但是傅首长指示交代其不要因为感情问题影响到科研工作，陶志纲立刻保证。

彩兰和彭雄飞的女儿脑袋出现一点小异常，但经过医院全面检查是完全没有问题的，孩子和彩兰没有问题，又有彭雄飞在照顾着，大家都放心回去各自岗位。医院走廊上，杨佳蓉注意到江水宁的面色不太正常，建议她去产科检查身体，江水宁听后心中一惊。王怀民再次抽血检查，王怀民拒绝让杨佳蓉做自己的主治医生，石红英递给他一份全新的治疗方案后忽然泪流满面。

原来杨佳蓉为了找到更好的治疗方案，瞒着王怀民用自己的身体做试验，王怀民坚决反对的同时也深受感动。县城招待所，江水宁将自己收集的黄凯华鞋底的灰土交给老康带回去分析研究，江水宁通过供销社商品销售数量推算基地科技人员人数，分析黄凯华没有参与氢弹研究而且改行转去研究导弹。

钟心和张来相互鼓励咬紧牙关拿下两弹研究，路上陶志纲开着车来找她，陶志纲为婚事苦恼，钟心却全身心投入两弹结合研究，两人没有什么时间在一起。陶志纲决定支持钟心为先关心其要照顾好身体。看着远去的钟心陶志纲倒是真觉得科学家和其他人之间有堵很高的强。心事重重的江水宁想起自己向老康汇报的怀孕情况，老康要其生下孩子好控制黄凯华，又遇见陶志纲要采购灯泡和手套，就这样意外摔倒。

江水宁醒来后得知自己因为怀孕严重贫血，幸好这次摔跤没有影响到孩子，重要的是基地里的同志知道江水宁缺血就赶来献血，江水宁得到大家的照顾心中很是纠结也很愧疚。氢弹的研究一时陷入僵局，陶志纲突发奇想，竟然启发了王怀民和彭雄飞。杨佳蓉一直在医院里陪着江水宁，看着睡着的杨佳蓉，江水宁拿出了老康设计陷害杨佳蓉的信，是杨佳蓉的二叔亲笔写出的，而信会使得杨佳蓉万劫不复甚至会影响到王怀民，这样就进一步地破坏了氢弹的研究，江水宁很是纠结。

夜深了，两弹结合小组的同志们仍在努力工作，傅首长嘱咐大家回去休息。杨佳蓉在梦中说的王怀民有生命危险被江水宁听见。傅首长还未完全离开，却发现那间大办公室的灯又重新亮了起来，傅首长也无奈科学家们的工作热情只好放开让他们研究。杨佳蓉和江水宁说了自己与王怀民一些事情，江水宁为两个人感情的错过感到生气，表达自己观点的过程中情绪有些激动，但时代的特殊性赋予每个人特殊的任务，如果不牺牲自己那很多人就没有未来何谈美好的未来，每个人都竭尽全力地奋斗着，这一番话让江水宁很是难过竟然哭了起来。

大家研究通宵终于下班，黄凯华收到一封信。王怀民特意等在杨佳蓉办公室外找其看病，他已经向组织申请作为杨佳蓉研究辐射的一个 “试验品”，杨佳蓉接受带着王怀民到了实验室，换衣服的过程中口袋里掉出了一张纸，打开后发现那不是老康转交的信件，江水宁因为良心问题还是撕掉那封信并吃了下去。黄凯华去医院看见江水宁正在吃些什么东西，面对黄凯华的疑问，江水宁敷衍了过去。

王怀民参与彭雄飞的爆轰实验，此次的爆轰结果不错可以作为氢弹研究的开端。因为江水宁身体不适，黄凯华背着其回家，两人聊起了猪八戒和高小姐的爱情，江水宁还是说出了自己的心里话，她不希望黄凯华是个拥有秘密任务的科学家。1966年5月携带模拟核弹头的核导弹冷试验成功，两弹部门结合的很完美，接下去就是钟心即将开始核导弹热试验，但这个实验最关键的是安全问题，全部要按照预定状态下运行，这还是钟心团队的功劳。钟心回国之后面临了三次研究方向的选择，但是她没有任何怨言只有我愿意三个字，林教授也对其公开表扬。

基地生活区，王振理、黄建国等几个小孩子正在玩扔石子，建国的扔法被其他孩子取笑，江水宁便运用物理知识教儿子建国，结果建国打碎了远处的一块玻璃，他拉着江水宁跑开，匆忙之中，江水宁没来得及擦掉写在地上的物理公式，两人在一边建国突然说自己觉得江水宁越来越不像特务，这番话让江水宁有些忧心。江水宁留下的图画恰好被黄凯华看见。江水宁再次去见老康，老康质疑江水宁的工作进展，江水宁解释基地的安全性能特别高，而且建国说过自己是特务，老康要江水宁杀死建国栽赃到杨佳蓉和王怀民身上，进而破坏基地的研究核心。老康威胁江水宁必须在三天之内杀死建国否则江水宁就要先死。陶志纲找到黄凯华问钟心的去处。

陶志纲向黄凯华打听钟心最近的情况，黄凯华却给他普及了很多关于导弹的知识，又告诉其两弹小组中有七名同志自愿成为导弹控制员，他们都留下遗书时刻准备牺牲，黄凯华安慰陶志纲里边可能不会有钟心。事情却相反，钟心果决地交出了遗书志愿成为导弹控制员，与钟教授告别时钟教授答应只要她能活着回来就答应她与陶志纲结婚。这是一项关乎于全民族一百多年来梦想的任务，就是在这一天两弹实验成功，标志着中国已经拥有能够用于实战的核导弹。不光如此，639的研制也已经到了最后的关头，大家伙都激动地不行。

老康听着广播里在中国共产党的领导下核武器已经成功的消息十分嫉恨，江水宁与他都躲在暗处观察黄建国。王怀民再次来到杨佳蓉处检查身体，王怀民体内的放射性物质已经慢慢减少，多项指标都趋于正常，他能继续活向美好的未来。杨佳蓉拉着王怀民的手到众人面前要王怀民答应自己，在他任务结束的那天两人就结婚，因为以前的胆小两人之间错过了很多机会，现在杨佳蓉好不容易勇敢了起来，王怀民坚定地许诺等任务完成不管生死无所畏惧一定与杨佳蓉结婚，两人相拥。

江水宁想要伤害建国可是终究不忍心还是交代建国最近要时刻小心除非见到父亲不然不要和任何人走，建国乖巧答应。钟心带着资料被一群人围着，幸亏陶志纲带着战士及时赶到解救钟心。江水宁突然收拾行李要去北京，只和黄凯华说舅舅病重自己要临时回去，黄凯华心中起疑在送江水宁离开时问她还有啥要对自己坦白的，江水宁叮嘱黄凯华要保护好自己和建国又依依不舍地抱着黄凯华然后乘车离开。钟心带着绝密资料回到基地交给王怀民，这一切得亏陶志纲，钟教授与陶志纲握手感谢哪知陶志纲抓着手就是一通亲热地叫着岳父，钟教授想起自己的承诺最终还是默认。

黄凯华表面不动声色，却坐着下一趟车跟了上去。江水宁看到黄凯华跟来错愕不已，黄凯华坦白自己虽然平时专注研究但是搞科研的自己很注重观察，江水宁送给自己的皮鞋刮擦太过干净、而且她能看懂数据的演算过程、还有她上次吃下的纸，这些都让黄凯华产生了怀疑。说话间，她看到了外面的老康，为了黄凯华的安全江水宁设计独自离开去见老康，拿出假资料混淆得以枪指老康，但是老康似乎掌握了黄凯华的安全以此威胁到了江水宁。

王怀民发现黄凯华失踪，急忙找到陶志纲，从黄建国的口中得知黄凯华有危险，得到消息的陶志纲迅速带人赶往县城。废弃的厂房里，老康拿性命威胁逼迫黄凯华写出绝密资料。在老康的威胁下，黄凯华写下了一组方程式，老康命令江水宁解开方程，结果竟然是《歌唱祖国》的曲谱，黄凯华是怕死但是绝不会屈服于敌人的枪下，就在老康要伤害江水宁的时候陶志纲及时赶到，老康自尽。江水宁被带走抢救，她的性命保住但是孩子不幸流产，江水宁的认罪态度很好根据口供北京又抓获两名特务，黄凯华因为涉案太深也要被隔离审查，大家都十分关心相信黄凯华，因为当时现场的残酷还有黄凯华扛下所有写下的《歌唱祖国》都值得大家相信。

“文化大革命”初期正在发展中的核工业受到了影响和干扰，为了稳定局面，党中央领导人亲下指令保证核工业的正常运转。钟教授向傅首长汇报基地资料被人多势众的大串联分子抢夺并且要运走，他们连傅首长的命令也不遵从，杨佳蓉和一众科学家们手挽着手拦住串联分子装有资料的汽车离开，又是陶志纲带着士兵及时赶到，这些人的一举一动完全可以被视为间谍罪，他们要经过严格搜查才能离开基地。彭雄飞爆轰实验失败，钟心正式加入氢弹研究小组，王怀民通过简单的算式提醒大家每一个小点持续积累就会变成更大的点。