焦裕禄(张新成 饰)因病情恶化医治无效离世，年仅42岁，临死前他还放心不下兰考治沙防沙的情况，放不下兰考人民。二十万科研人员整整忙了九年的时间，终于完成了原子弹核心部分，只剩下铀球最后三刀，邓稼先亲自送全副武装的技术工人原公浦进入了基地车间，秦子衿(佟丽娅 饰)想进去拍摄全过程，邓稼先没有不同意，担心辐射会导致她的不孕不育，秦子衿只好在外面等待。二十分钟后，邓稼先和原公浦手拉手从实验室出来，他们终于完成了最后三刀，秦子衿拍下这珍贵的一幕。
李响(李麟 饰)主动报名去做第一次核爆安全员的工作，秦子衿也要跟着飞机去执行任务，二人惺惺相惜。聂荣臻(曹克难 饰)陪周恩来(夏德俊 饰)观看核爆试验，他深知这次核爆的意义，所有技术人员整整忙了十年之久，还有三百个人为之牺牲，他不敢掉以轻心，周恩来当即决定原子弹起爆时间定在10月16日下午三点，聂荣臻马上去安排。钱三强(王劲松 饰)打电话向周恩来汇报，邓稼先母亲生命垂危，周恩来让他安排最好的医生和医院进行救治，让许鹿希(丁柳元 饰)决定让不让邓稼先回来看最后一眼，钱三强征求许鹿希的意见，许鹿希也想让邓稼先回来，可是至今还没有研究出成果，她替邓稼先不甘心。
1964年10月16日，是原子弹起爆的日子，新疆罗布泊核试验基地的空气中都多了几分紧张气氛，张觉特意让炊事班准备了肉包子，可专家和战士们都吃不下，张觉亲自给郭永怀(李乃文 饰)和邓稼先送来了包子，正好周恩来打电话到基地，特意转达了毛泽东(王雷 饰)对大家的问候，他们会在北京关注原子弹的起爆情况，同时预祝实验成功，郭永怀和邓稼先顿时信心百倍。下午三点，原子弹成功起爆，李响带着战士们去核心地区采样，机组成员多次申请穿越蘑菇云，成功采集了样本，经过专家分析，中国第一枚原子弹成功起爆，在场所有人都欢呼雀跃，邓稼先和郭永怀激动地紧紧拥抱。
邓稼先得知母亲病重的消息后第一时间赶回了北京，许鹿希看到了报纸上原子弹爆炸新闻，迫不及待拿给婆婆看，婆婆激动得老泪纵横，她不知道邓稼先六年来一直在研制原子弹，不停地替邓稼先可惜，遗憾他没有参加原子弹的研制工作，邓稼先急匆匆赶到医院，他紧握母亲的双手，母亲已经奄奄一息。许鹿希来找钱三强，想让邓稼先如实向母亲说明实情，了却老人的心愿，钱三强立刻打电话向周恩来汇报，周恩来特批邓稼先把这个秘密说出来，邓稼先一五一十向母亲说明了实情，母亲含笑九泉。
邓稼先安葬了母亲，许鹿希很委屈，她苦苦恳求邓稼先说明实情，邓稼先不能说，只是向她深深鞠躬，然后默默关上家门离开了。李响去医院体检，医生从他的尿液和血液中都查出了放射元素，秦子衿的身体里也查出少量的放射元素，她约李响来孔雀河边详谈。秦子衿一见面就向李响表明决心，她要在基地干一辈子，担心身体里的放射物质不能生孩子，她不想耽误李响，李响当即决定和她结婚，发誓要保护她一辈子，秦子衿激动万分，拿出了结婚申请书，李响也拿出了自己的那份，二人相视一笑，尽在不言中。
1967年6月17日，中国的第一枚氢弹爆炸成功，邓稼先和郭永怀一起喝酒庆祝，他们都因为受辐射影响有不同程度的掉发现象。随后，邓稼先去内蒙看在那里插队的女儿典典，父女俩久别重逢，激动之情溢于言表，邓稼先给典典送来几罐肉罐头，典典担心以后吃不到会更难受，也不想搞特殊化，以免影响到父母，让邓稼先把罐头带回去给妈妈和弟弟，邓稼先深感欣慰。典典发誓要像邓稼先那样优秀，邓稼先给她拿来一本英语书，首先教她学会祖国这个单词。
陆舫东抓紧一切时间学习英语，结果不小心把运电缆的车侧翻，郭永怀让战士们检查一下电缆，向司令申请让陆舫东给他当助手，陆舫东自然求之不得。钱学森(郭晓东 饰)求贤若渴，从全国各地找来了卫星相关专业的十八位研究员，孙家栋(林江国 饰)很开心，鼓励大家只争朝夕，再次创造奇迹。郭永怀收到在内蒙古插队的女儿郭芹的来信，郭芹要买一双鞋子，郭永怀就去商场买鞋，可他不知道郭芹的尺码，就给自己买了一双翻毛皮鞋。妻子李佩给他准备了大衣，郭永怀很纳闷，李佩没有问他接下来去哪里工作，只表示会一直等他回来，郭永怀踏上了去青海的征途。1968年12月5日，青海热核基地狂风大作，伸手不见五指，郭永怀要带陆舫东去北京汇报热核试验的结果，途中飞机失事，郭永怀在这次空难中不幸身亡，临死前手里还紧紧地握着资料不肯松开。