1960年的春天，铁道队战斗英雄金灿烂和带着设备回厂的火车专家常汉卿在一列疾驰的蒸汽火车上相遇，常汉卿因拒绝让出自己箱子所占的铺位而与晕车的金灿烂起了争执。外面传来警报声和枪声，金灿烂忘记晕车，冲出去协助乘警抓住了搞破坏的特务，她又误会同样带着箱子的常汉卿身份，两人因此结下梁子。江南机车厂政治部副主任冯仕高亲自来车站迎接金灿烂，原来金灿烂转业的地方就是常汉卿所在的机车厂，一路上两人都看对方不顺眼。江南机车车辆厂里到处灯火辉煌，来自祖国各地的青年人干劲冲天为中国第一台实验电力机车试车进行着大会战。

常汉卿陪冬妮娅喝过酒之后留下图纸就要离开，不料两人却因为一氧化碳中毒倒在床上，常汉卿用仅存的意识打破窗户，惊动了保卫。冯仕高陪同金灿烂来到常家小白楼，大姐常汉坤帮助常汉卿遮掩行踪。警报传来，金灿烂冲进旁边的专家楼看到倒在一起的常汉卿与冬妮娅，误会常汉卿耍流氓。常汉卿和冬妮娅刚被送进医院抢救，整个厂子都在议论这对胆大包天的男女。瓦西里代表苏联专家组就此事对厂里提出抗议，两国专家相爱是绝对不被允许的，冯仕高和金灿烂这件事的引起了上层的“高度重视”，金灿烂负责调查。

常汉卿为了不影响正在进行的新机车实验，对金灿烂谎称自己已经与白曼宁订婚。他要立刻出院，找冬妮娅拿回图纸赶快工作，金灿烂却告诉他冬妮娅的房间根本没有图纸。常汉卿与技术员陈凯确认了图纸丢失更加焦急，金灿烂看着对工作如此上心的常汉卿决定私放他回厂，这让常汉卿对金灿烂原本的印象有所改观。常汉卿发现机车的问题出在苏联专家严格保密的“核心技术”上，但瓦西里始终不让冬妮娅回车台，常汉卿要拆开苏联设备，而姚怀明却坚决阻止他。金灿烂用军人方式解决问题，当着瓦西里的面猛灌白酒，被随后赶来的常汉卿阻止并急送医院。

金灿烂担心白曼宁受刺激出事，找冯仕高要求住进白曼宁的双人宿舍，冯仕高提醒金灿烂小心站错队。常汉卿在冬妮娅和姚怀民的帮助下成功解决了技术问题，姚怀民却劝常汉卿电力机车在中国没有出路。冬妮娅接到了还有30个小时就要撤退的消息，想要帮助常汉卿解决更多技术问题。安保巡逻的金灿烂碰到加班工作的二人，从冬妮娅亲昵的表现中金灿烂坚信“大字报”的背后另有隐情，但是常汉卿却拒不承认。最后，常汉卿答应了金灿烂去安慰白曼宁才得以脱身。

厂里要给苏联专家们开欢送会，金灿烂答应了常汉卿帮助他见冬妮娅最后一面。之后，金灿烂帮助常汉卿对付瓦西里给冬妮娅秘密传递消息，两人又在送别会上合力拖延瓦西里为冬妮娅提供时间。冬妮娅成功破解了常汉卿隐藏在报纸上中的信息，她把回复的消息隐藏在了加密的日记本里，在瓦西里的阻止下无法交到常汉卿的手中。站台上，不被准许来送行的常汉卿躲在一旁拉着手风琴来为冬妮娅送行，冬妮娅冒着被发配到西伯利亚的风险，把日记本从窗口扔下了火车，这一切都被金灿烂看在眼里。金灿烂要没收常汉卿的日记本交给组织审查，常汉卿觉得上交审查会耽误实验机车进度，所以他骗金灿烂日记内容是他与冬妮娅的情诗从而搪塞过去。