焦裕祿(張新成 飾)因病情惡化醫(yī)治無效離世，年僅42歲，臨死前他還放心不下蘭考治沙防沙的情況，放不下蘭考人民。二十萬科研人員整整忙了九年的時(shí)間，終于完成了原子彈核心部分，只剩下鈾球最后三刀，鄧稼先親自送全副武裝的技術(shù)工人原公浦進(jìn)入了基地車間，秦子衿(佟麗婭 飾)想進(jìn)去拍攝全過程，鄧稼先沒有不同意，擔(dān)心輻射會(huì)導(dǎo)致她的不孕不育，秦子衿只好在外面等待。二十分鐘后，鄧稼先和原公浦手拉手從實(shí)驗(yàn)室出來，他們終于完成了最后三刀，秦子衿拍下這珍貴的一幕。

李響(李麟 飾)主動(dòng)報(bào)名去做第一次核爆安全員的工作，秦子衿也要跟著飛機(jī)去執(zhí)行任務(wù)，二人惺惺相惜。聶榮臻(曹克難 飾)陪周恩來(夏德俊 飾)觀看核爆試驗(yàn)，他深知這次核爆的意義，所有技術(shù)人員整整忙了十年之久，還有三百個(gè)人為之犧牲，他不敢掉以輕心，周恩來當(dāng)即決定原子彈起爆時(shí)間定在10月16日下午三點(diǎn)，聶榮臻馬上去安排。錢三強(qiáng)(王勁松 飾)打電話向周恩來匯報(bào)，鄧稼先母親生命垂危，周恩來讓他安排最好的醫(yī)生和醫(yī)院進(jìn)行救治，讓許鹿希(丁柳元 飾)決定讓不讓鄧稼先回來看最后一眼，錢三強(qiáng)征求許鹿希的意見，許鹿希也想讓鄧稼先回來，可是至今還沒有研究出成果，她替鄧稼先不甘心。

1964年10月16日，是原子彈起爆的日子，新疆羅布泊核試驗(yàn)基地的空氣中都多了幾分緊張氣氛，張覺特意讓炊事班準(zhǔn)備了肉包子，可專家和戰(zhàn)士們都吃不下，張覺親自給郭永懷(李乃文 飾)和鄧稼先送來了包子，正好周恩來打電話到基地，特意轉(zhuǎn)達(dá)了毛澤東(王雷 飾)對大家的問候，他們會(huì)在北京關(guān)注原子彈的起爆情況，同時(shí)預(yù)祝實(shí)驗(yàn)成功，郭永懷和鄧稼先頓時(shí)信心百倍。下午三點(diǎn)，原子彈成功起爆，李響帶著戰(zhàn)士們?nèi)ズ诵牡貐^(qū)采樣，機(jī)組成員多次申請穿越蘑菇云，成功采集了樣本，經(jīng)過專家分析，中國第一枚原子彈成功起爆，在場所有人都?xì)g呼雀躍，鄧稼先和郭永懷激動(dòng)地緊緊擁抱。

鄧稼先得知母親病重的消息后第一時(shí)間趕回了北京，許鹿?？吹搅藞?bào)紙上原子彈爆炸新聞，迫不及待拿給婆婆看，婆婆激動(dòng)得老淚縱橫，她不知道鄧稼先六年來一直在研制原子彈，不停地替鄧稼先可惜，遺憾他沒有參加原子彈的研制工作，鄧稼先急匆匆趕到醫(yī)院，他緊握母親的雙手，母親已經(jīng)奄奄一息。許鹿希來找錢三強(qiáng)，想讓鄧稼先如實(shí)向母親說明實(shí)情，了卻老人的心愿，錢三強(qiáng)立刻打電話向周恩來匯報(bào)，周恩來特批鄧稼先把這個(gè)秘密說出來，鄧稼先一五一十向母親說明了實(shí)情，母親含笑九泉。

鄧稼先安葬了母親，許鹿希很委屈，她苦苦懇求鄧稼先說明實(shí)情，鄧稼先不能說，只是向她深深鞠躬，然后默默關(guān)上家門離開了。李響去醫(yī)院體檢，醫(yī)生從他的尿液和血液中都查出了放射元素，秦子衿的身體里也查出少量的放射元素，她約李響來孔雀河邊詳談。秦子衿一見面就向李響表明決心，她要在基地干一輩子，擔(dān)心身體里的放射物質(zhì)不能生孩子，她不想耽誤李響，李響當(dāng)即決定和她結(jié)婚，發(fā)誓要保護(hù)她一輩子，秦子衿激動(dòng)萬分，拿出了結(jié)婚申請書，李響也拿出了自己的那份，二人相視一笑，盡在不言中。

1967年6月17日，中國的第一枚氫彈爆炸成功，鄧稼先和郭永懷一起喝酒慶祝，他們都因?yàn)槭茌椛溆绊懹胁煌潭鹊牡舭l(fā)現(xiàn)象。隨后，鄧稼先去內(nèi)蒙看在那里插隊(duì)的女兒典典，父女倆久別重逢，激動(dòng)之情溢于言表，鄧稼先給典典送來幾罐肉罐頭，典典擔(dān)心以后吃不到會(huì)更難受，也不想搞特殊化，以免影響到父母，讓鄧稼先把罐頭帶回去給媽媽和弟弟，鄧稼先深感欣慰。典典發(fā)誓要像鄧稼先那樣優(yōu)秀，鄧稼先給她拿來一本英語書，首先教她學(xué)會(huì)祖國這個(gè)單詞。

陸舫東抓緊一切時(shí)間學(xué)習(xí)英語，結(jié)果不小心把運(yùn)電纜的車側(cè)翻，郭永懷讓戰(zhàn)士們檢查一下電纜，向司令申請讓陸舫東給他當(dāng)助手，陸舫東自然求之不得。錢學(xué)森(郭曉東 飾)求賢若渴，從全國各地找來了衛(wèi)星相關(guān)專業(yè)的十八位研究員，孫家棟(林江國 飾)很開心，鼓勵(lì)大家只爭朝夕，再次創(chuàng)造奇跡。郭永懷收到在內(nèi)蒙古插隊(duì)的女兒郭芹的來信，郭芹要買一雙鞋子，郭永懷就去商場買鞋，可他不知道郭芹的尺碼，就給自己買了一雙翻毛皮鞋。妻子李佩給他準(zhǔn)備了大衣，郭永懷很納悶，李佩沒有問他接下來去哪里工作，只表示會(huì)一直等他回來，郭永懷踏上了去青海的征途。1968年12月5日，青海熱核基地狂風(fēng)大作，伸手不見五指，郭永懷要帶陸舫東去北京匯報(bào)熱核試驗(yàn)的結(jié)果，途中飛機(jī)失事，郭永懷在這次空難中不幸身亡，臨死前手里還緊緊地握著資料不肯松開。