一列车队穿行在甘肃广阔的沙漠里，团长李响(李麟 饰)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。车队在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，不顾一切冲了过去，核基地张丰司令发现那不过是海市蜃楼的现象，急忙把大家都喊了回来。
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，大家非常激动，一起冲向了河沟。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。苏联专家捷列夫给中国送来早就淘汰的火箭，聂荣臻(曹克难 饰)陪钱学森(郭晓东 饰)仔细检查了一遍，当面揭穿了捷列夫的所作所为，聂荣臻提请捷列夫，要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，邓稼先发现那不过是一公斤的“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(王雷 饰)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，不久后，捷列夫离开中国返回苏联，中苏彻底决裂。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，邓稼先的生日到了，钱三强(王劲松 饰)亲自过来慰问，还给他送来一碗长寿面，劝他早点回去休息，可邓稼先不想搞特殊，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，便强行把他赶走了，钱学森得知此事后，立刻向聂荣臻汇报，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(佟丽娅 饰)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，不久后，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。
秦子衿拍下了这一幕，李响接到了上级命令，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，大家激动得欢呼雀跃。
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，让人给别的同志送去，周恩来(夏德俊 饰)向毛泽东汇报了一件事，有人建议暂缓两弹的研究，毛泽东坚持不同意，宁肯勒紧裤腰带，也要研究出两弹。火箭专家郭永怀(李乃文 饰)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，王进喜迫不及待地想马上投入工作，余秋里劝他要先休息好，才能更好的工作。