1950年，秦子衿和妹妹秦子佩來到了天安門廣場，她們倆都非常興奮，秦子衿...的身體裏還殘留一顆子彈，她耿耿於懷的是位於東交民巷的美國領事館還有駐軍。與此同時，李響帶解放軍來到美國領事館，領事柯樂柏硬著頭皮走了出來，李響向他宣布了一道驅逐令，因為中美並沒有建交，他們隻是普通美國公民，不能繼續住在大使館裏，柯樂柏隻好乖乖離開，秦子衿和秦子佩看到這一幕後開心不已。
身在美國,的錢學森和郭永懷誌同道合，他們一心想回國加入新中國建設，可美國政府把錢學森的八個行李箱全部扣押，不許他離開住處，隨後，美國特工又把錢學森抓走。天津文工團的作曲家王梓來到北京，親眼目睹了物理學家鄧稼先回國，人們夾道歡迎，鄧稼先激動萬分，帶著大家一起高唱國歌，王梓在一旁進行伴奏。王梓乘坐火車從北京返回天津，突然靈感大發，就地寫下了幾句歌詞，等他冒著大雨回抵家後，身懷六甲的妻子王慧芬正在家裏等他，王梓迫不及待哼唱起來新寫...的歌曲，王慧芬突然腹痛難忍，眼看孩子就要出身了，王梓趕忙把她送去醫院，王慧芬生了一個女兒，王梓則抓緊一切時間寫完了那首歌。
王梓在收音機裏聽到了自己所寫的那首“歌唱祖國”，他興奮得跟著一起合唱，妻子王慧芬也為他高興，王梓當即決定要加入抗美援朝誌願軍，王慧芬也沒有阻攔。1955年，李四光和錢三強在廣西梧州察覺了鈾礦石，他們第一時間來向毛澤東彙報，鈾是製造原子彈最重要的原材料，周恩來建議讓地質學院的學生們提前畢業去開發鈾礦。毛澤東不想再被外國列強壓迫，讓李四光和錢三強盡快著手原子彈的開發。
秦子佩放棄了保研-的名額，主動要求加入地質隊，秦子衿在新華社做記者，她來到火車站苦苦規勸她不要放棄保研，可秦子佩覺得自己...的工作更有意義，她讓秦子衿替自己保密。秦子佩和同學們來到湖南郴州的大山深處探測，很快找到了鈾礦脈，秦子佩想用這次的結果作為獻給國慶的禮物，她親自到懸崖峭壁上勘測，終於察覺了礦脈的中心，這讓她開心不已，卻突然腳下一滑摔落了山崖。秦子衿來為秦子佩送葬，她傷心得痛不欲生，至今她仍不知道秦子佩是做什麼工作的，沒法向老父親交代。秦子佩...的父親秦元是火箭專家，他得知秦子佩的死訊後非常難過。
錢學森向祖國發出了求救信，美國留學生走上街頭遊行示威，強烈要求美國政府放錢學森夫婦回國，美國政府迫於壓力，隻好把錢學森和蔣英送回了中國。錢學森和蔣英終於踏上了回國的輪船，他們倆站在甲板上百感交集，一起高唱“歌唱祖國”。錢學森一回國就被請到中央軍委講課，陳賡親自在大門外迎接他，陳毅和聶榮臻等開國大帥都在場，錢學森宣誓要從今天開始發明奇跡，成立中國的火箭軍。
鄧稼先來找機械部部長錢三強報到，錢三強邀請他加入火箭炮的研發，可從今以後鄧稼先就要從學術界消逝，不能發表論文，不能公開發表任何言論，對親人要保密，並且是無限期的，鄧稼先願意遵守這樣嚴苛的要求。鄧稼先妻子許鹿希是醫院的醫生，她下班匆匆趕回家給孩子們做飯，看到鄧稼先已經做好了，還把孩子們哄睡著了，許鹿希百思不解，鄧稼先拚命討好妻子，這更讓許鹿希一頭霧水，飯後，鄧稼先把許鹿希零丁叫了出來，他說自己要換工作了，可能會消逝很長時間，許鹿希理解他的不得已，也沒有多問，鄧稼先緊緊摟著許鹿希，那種心情難以名狀。