1955年，中国政府决定开始研发自己的原子弹，这个消息在身处异国他乡的中国科学家们当中掀起了归国热潮。美国纽约州，钟培林教授准备回国。女儿钟心的研究课题正在攻关阶段，她拒绝了父亲一同回国的邀请。钟培林与几名华裔科学家在酒馆地下室秘密见面，准备回国。突然美国便衣闯进，危急中，林安城委托钟培林带信给方明将军，自己留下掩护。码头上，众人又遭遇特工的临时检查，取得移民局翻译资格的钟心为钟培林保住了密信，临行前，她无声告诉父亲“祖国见”。莫斯科国防科技大学，黄凯华等留苏的中国学生们也打算回到祖国，其中最为优秀的王怀民、何吟薇夫妇却受到了校长的热情挽留。直到上了归国的列车，凯华等人才知道怀民夫妻不仅拒绝了校长的邀请，还将大家的实验数据藏在油画中带了回来。火车到站，有台湾方面的特务抢夺怀民带回来的数据，幸好有志愿军战士陶志纲帮助追回。但被特务所伤的何吟薇难产死亡，临死前将刚刚出生的儿子托付给了帮助她的护士杨佳蓉。

1958年，老首长傅正川交给陶志纲新的使命：保卫中国的第一个原子弹研究机构，A所。北京某旧货摊，王怀民和钟培林同时看中一个老旧的仪器部件，钟培林技高一筹，最终买走了仪器。方明将军来找钟培林，问他是否愿意隐姓埋名投入原子弹的研究，钟培林毅然决定以身许国，并改名钟爱国。陶志纲开始对入选A所的科研人员做政审和甄别工作，审查怀民时他直言A所的研究方向是原子弹，国家一定需要他，这引起志纲怀疑。未通过政审的怀民在门口遇到钟培林并寻求他的帮助，无奈钟培林无法说服陶志纲。

原来佳蓉被怀疑害死何吟薇，便主动申请调到了防疫站工作，但从未对怀民提起。苏联专家安德烈则提到，苏方一位院士十分推崇王怀民，这使陶志纲十分错愕。怀民终于进入A所，忽然听到一段小提琴曲，与何吟薇当年拉的一模一样。怀民惊喜而去，却发现对方是个年轻的姑娘，于是黯然离开。她正是钟培林之女钟心。陶志纲质问钟心为什么要在这里拉琴，钟培林及时赶到阻止了两人的争执。

雄飞与怀民争吵离开，凯华告诉他，怀民是因为妻子吟微的过世才会如此。苏联专家丢了保密文件，陶志纲带人严查。怀民回到宿舍，只看到一片狼藉，连留声机都被陶志纲拆坏了。陶志纲调查后确定，文件是苏联人自己落在了宿舍。彼得不满志纲的搜查，志纲与他据理力争。得知凯华离异一事，丁向军和雄飞心生感慨，雄飞直言对钟心极有好感，连怀民也加入了调侃。原本想要向怀民等人道歉的陶志纲在门外听见，认为这群科学家素质低劣，愤怒离开。会议室里，傅正川和钟培林不满苏联专家定下的核试验场选址，决定重新选址建造。为了迎接原子弹模型，A所所有人都投入到大扫除之中。安德烈惊讶于众人的工作效率，然而苏方却屡屡拖延模型交付。

为了获取苏方知识，压榨组申请组织一场舞会。借着舞会众人向苏联专家提问，但收获甚微。钟心邀请怀民跳舞被拒绝，又邀请陶志纲，结果二人又争吵了起来。怀民和安德烈坐在一边算着数独，怀民先一步完成，离开会场，令安德烈暗自讶异。第二日的授课果然多了学术内容，却全是照本宣科，令众人十分失望。怀民一直在翻译的专业俄文资料，此时成为了大家的助力。大家聚在一起学习，进步卓然。钟心与怀民谈起，自己以前最讨厌科学家，怀民则说科学家本就不是被人喜欢的，只是引领方向的航标。