一列军车队穿行在甘肃广漠的沙漠，团长李响带领上甘岭英雄团的战士们坐在车上，他们一起高唱“歌唱祖国”，车队行驶到阳关，战士们谨记上级的命令，不问去哪里，也不问干什么。

车队到敦煌莫高窟进行短暂休整，准备了十天的给养以后继续前行，目标是新疆，半路上，战士们饥渴难耐，李响派出三个小分队去找水源，有战士发现远处有雄伟的高楼和清澈的海，不顾一切冲过去，核基地张丰司令发现那是海市蜃楼，赶忙把大家叫回来。

李响和找水小分队的战士一无所获，他们只好回来复命，可董大个却迟迟未归，李响赶忙带人去沙漠里寻找，先看到董大个的帽子，李响伤心不已，董大个没死在战场上，却在沙漠里送了命，李响随后又看到扎在枯木上的刺刀，刺刀所指的方向是一处河沟，李响他们激动万分，一起冲向河沟。

李响把董大个的帽子和刺刀埋葬，为他立了衣冠冢，战士们一起向他致敬。经过张峰辟邪努力，终于找到了适合建基地的地点。苏联专家捷列夫给中国送来早就淘汰的火箭，聂荣臻陪钱学森仔细检查了一遍，当面揭穿捷列夫的所作所为，聂荣臻提请捷列夫尽快把原子弹核心数据拿出来。

国家花重金从苏联买了一公斤的数据资料，邓稼先发现那是一公斤的“养花手册”，钱学森和聂荣臻都很生气，聂荣臻第一时间向毛泽东汇报，毛泽东义愤填膺，当即决定把原子弹计划定为“596”，让中国的专家尽快研究出原子弹数据模型。之后不久，捷列夫离开中国会苏联，中速彻底决裂。

邓稼先和120个团队成员没日没夜核算苏联专家留下的数据，结果都不对，他们只好一遍一遍验算，一直到第四遍还是不符，邓稼先只好让大家进行新一轮的验算。今天是邓稼先的生日，钱三强亲自来慰问，还给他送来一碗长寿面，劝他早点回去休息，邓稼先不想搞特使，坚持和团队成员同甘共苦。

钱学森请秦品元参加原子弹的研发，秦品元来到北京，可是需要严格的政审，军改干部查出他哥哥在台湾，强行把他赶走了，钱学森得知此事，立刻向聂荣臻汇报此事，聂荣臻亲自带军改干部去火车站追秦品元，可火车已经开走了，聂荣臻派军改干部买下一趟去重庆的火车亲自去请，还让他带上自己的钢笔做信物。

秦品元同意跟军改干部回北京，临行前，秦品元给秦子衿写了一份信，地址是20号信箱，秦子衿知道父亲也像姐姐一样做保密工作，之后不久，秦子衿被派往戈壁滩上的马兰基地，她准时来报到，看到团长李响把战士们涉及基地机密的信全部销毁，反复提醒他们不许在信里写关于基地的任何事，而且地址只能写21号信箱，战士们只想知道他们要干什么。

秦子衿拍下这一幕，李响接到上级命令，当众宣布这是国家筹建的原子弹基地，战士们群情激奋，一起投入了紧张和艰苦的建设中。邓稼先带领团队成员整整忙了一年多，核算了九遍之多，邓稼先终于想明白一件事，他们核算的数据是对的，原子弹理论数据模型终于成功了，苏联专家故意提供了错误的数据来误导他们。邓稼先当众宣布了这个好消息，他深深鞠躬向团队成员表示感谢，大家激动地欢呼雀跃。

1960年，由于天灾人祸，中国进入困难时期，炊事班特意给毛泽东送来一碗肉，他坚决不吃，让给别的同志送去，周恩来向毛泽东汇报了一件事，有人建议暂缓两弹的研究，毛泽东不同意，宁肯勒紧裤腰带，也要研究出两弹。

火箭专家郭永怀来新疆罗布泊靶场做实验，看到这里黄沙漫天，司令向他汇报原子弹的进展情况，他不感兴趣，只关心火箭的进展，司令觉得这两个根本分不开。石油部长余秋里亲自来车站接从玉门赶来的王进喜和三十七名钻井工人，王进喜迫不及待想马上工作，余秋里劝他先好好休息。

中苏关系彻底破裂，苏联专家从辽宁鞍钢撤离，不但拿走了他们的资料，把鞍钢工人多年积累的技术资料一起拉走，工人们很生气，副厂长鼓励大家从头再来，工人们跟着他一起高喊“百炼成钢”。

1959年到1960年，全国大部分地区遭遇前所未有的自然灾害，粮食颗粒无收，核验基地时常断粮，战士们宁可饿肚子，把省下来的粮食分给科学家和技术人员，司令张觉和李响都心急如焚。张觉主动把自己的口粮让出来，副所长郭永怀苦苦规劝也无济于事，张觉就想早一天完成基地建设的任务，郭永怀保证会准时竣工。

由于粮食短缺，张觉只好让科学家和技术人员先放假回家，郭永怀回家看到女儿芹儿闹着不吃窝头，赌气扔在地上，郭永怀狠狠教训了她一顿，给她讲起基地战士没有饭吃还继续干活，妻子李佩赶忙过去哄芹儿。张觉走投无路，只好来病房找副总理聂荣臻乞讨，聂荣臻了解了基地的现状，立刻打电话给北京军区，向他们募捐了一批粮食。

陈毅来看聂荣臻，得知基地的科学家们在挨饿，他赶忙给海军司令员打电话，以个人的名义向司令要了一些海带和鱼干，张觉连连鞠躬向他们俩表示感谢，笑称自己是最高级别的叫花子。国防部第五研究所所长钱学森亲自来请郭永怀参与原子弹爆炸环节的设计，郭永怀不想生产杀伤力这么强的武器，钱学森苦口婆心劝他，明确讲明对待外国列强就得以牙还牙，否则只会被动挨打，郭永怀答应好好想一想，钱学森送给他一张第二十六届世乒赛的门票。

中国男子乒乓球队不负众望战胜日本队，获得这一届世乒赛的冠军，郭永怀看完这场比赛，他深深感受到利剑出鞘的痛快，迫不及待打电话向钱学森汇报自己的感受，要求加入原子弹爆炸环节的设计。钱学森一直守在电话旁，终于等到郭永怀的电话，他激动连连称好。李佩无意中发现郭永怀没在原单位上班，心里大惑不解，郭永怀不能说明实情，只能找借口掩饰过去。

焦裕禄是河南第二机械厂的技术科长，他看到工人们吃不饱饭，就向厂里写申请，却迟迟得不到批复，焦裕禄心急如焚，因旧病复发晕倒在地。之后不久，焦裕禄被抽调到农村，他毫无怨言，厂长逼他把病治好了再去。

聂荣臻病愈出院以后，他第一时间去“东风”号火箭发射基地慰问秦品元，为之前政审的事向他赔礼道歉，秦品元很感动，没想到聂荣臻还记得这些小事，聂荣臻鼓励秦品元大胆做实验，愿做他坚强后盾，钱学森和秦品元一起在申请书签名。“东风”一号火箭顺利升空，在场所有人都欢呼雀跃，聂荣臻激动地热泪盈眶，对钱学森和秦品元寄予厚望，希望他们三发三中。

经过基地所有技术人员的不懈努力，终于实现了三发三中，毛泽东收到这个消息，他激动万分，迫不及待和周恩来一起分享成功的喜悦。李响带领战士们加班加点干活，秦子衿听说他们偷工减料，把技术员都气跑了，就来工地拍照取证，秦子衿发现战士们用孔雀河的盐碱水和混凝土，就去找李响理论，李响连连解释附近只有孔雀河，战士们都吃这盐碱水，如果要用清水，就得去200里地以外，秦子衿不依不饶，逼他尽快停工，李响一气之下扛起她就走。张觉闻讯赶来，狠狠教训了李响，邓稼先来汇报施工质量的问题，建议把建好的部分炸毁。

张觉不同意把战士们撤掉，向邓稼先详细介绍了李响率领的上甘岭英雄团战士们的英雄事迹，而且战士们从来没有喝过一杯清水，把省下来的水都给科学家和技术人员，秦子衿和邓稼先都很感动，张觉决定把所有的军车全改成运水车。

李响亲自带三辆车去200里以外运清水，随行的战士陆舫东想喝一点解解馋，李响不同意，车队顺利来到马兰基地，秦子衿主动提出让战士们喝清水，李响不舍得，因为汽油更贵。秦子衿拿出大庆油田已经开采出石油的好消息，李响当即下令所有战士喝清水，战士们开心地欢呼雀跃，秦子衿这一幕，感动地热泪盈眶，在茶缸上写了“最可爱的人”送给李响。

1962年，东风号导弹发射失败，只用了八秒就掉下来，把地面砸了一个深深的大坑，钱学森得知此事，立刻带秦品元前往东风基地，总设计师林津守在大坑前嚎啕大哭，钱学森劝他不要冲动，先找出来失败的原因。钱学森带着基地所有人在沙堆里筛零件和碎片，希望从中找出失败的原因。

钱学森让大家把收集的碎片和零件都摆在地上，不分昼夜开始整理分析，他几天几夜不眠不休，妻子蒋英心急如焚，担心钱学森被特务暗杀，她只好去找聂荣臻求助，聂荣臻打电话给钱学森，钱学森发誓不找到原因就不回家，聂荣臻向蒋英解释了其中缘由，蒋英得知钱学森很安全，在帮国家做很重要的工作，她才安心。

秦子衿拜托李响开车带基地的女同志们去孔雀河洗澡，李响还派了两拨战士分别在上游和下游站岗放哨。经过所有技术人员的不懈努力，终于找到事故原因是一根电线。秦品元做推进剂试验，就在试验成功的那一刻，突然发生爆炸，秦品元被炸成重伤，他拼劲最后一口气，拜托钱学森帮忙找到女儿秦子衿。

秦子衿收到父亲的死讯，她伤心欲绝，李响奉命送她去火车站，一路上，秦子衿都以泪洗面，李响让她哭出声来。秦子衿来到父亲坟前，她痛不欲生，钱学森也为之动容，劝她节哀，秦子衿担心父亲不是党员不能当烈士，钱学森保证会追认他为烈士。组织上决定让秦子衿调回北京，秦子衿坚决不走，要继续留在基地。

作曲家王梓和秦咏城来大庆油田慰问演出，王进喜带着工人们一起高唱“歌唱祖国”，然后就投入紧张的勘察工作，王梓希望秦咏城写一首关于石油工人的歌曲，秦咏城很快就完成了这首歌，受到工人们一致好评。

李响对秦子衿渐生情愫，他鼓足勇气向秦子衿表白，秦子衿答应等完成父亲临终夙愿，把推进剂提高百分之八的任务完成再说。钱学森和团队成员终于研制出东风二号导弹，他想尽快发射，张觉担心再出事故，就打电话向聂荣臻汇报，聂荣臻让他听钱学森的，钱学森向发射基地下达命令。东风二号准确命中500米以外的目标，在场所有人都激动地欢呼雀跃，秦子衿躲在一边潸然泪下，向去世的父亲汇报这个好消息。

焦裕禄奉命到河南兰考任职，他带着赵剁楼的村民们当年就完成亩产，焦裕禄却因为旧病复发住进医院，他一心想回兰考。