一列車隊穿行在甘肅廣闊的沙漠裏，團長李響率領上甘嶺英雄團的戰士們坐在車上，他們一起高唱“歌唱祖國”，車隊行駛到陽關，戰士們謹記上級的命令，不問去哪裏，也不問幹什麼。車隊在敦煌莫高窟進行短暫休整，準備了十天的給養以後繼續前行，目標是新疆。半路上，戰士們饑渴難耐，李響派出三個小分隊去找水源，有戰士察覺遠處有宏偉,的高樓和清亮的海，掉臂一切衝了過去，核基地張豐司令察覺那不外是海市蜃樓的現象，急忙把大家都喊了回來。
李響和找水小分隊的戰士一無所獲，他們隻好回來複命，可董大個卻遲遲未歸，李響趕忙帶人去沙漠裏尋找，先看到董大個的帽子，李響傷心不已，董大個沒死在戰場上，卻在沙漠裏送了命，李響隨後又看到紮在枯木上-的刺刀，刺刀所指的方向是一處河溝，大家非常激動，一起衝向了河溝。李響把董大個的帽子和刺刀埋葬，為他立了衣冠塚，戰士們一起向他致敬。蘇聯專家捷列夫給中國送來早就淘汰的火箭，聶榮臻陪錢學森仔細檢查了一遍，當麵揭穿了捷列夫的所作所為，聶榮臻提請捷列夫，要盡快把原子彈核心數據拿出來。
國家花重金從蘇聯買了一公斤的數據資料，鄧稼先察覺那不外是一公斤的“養花手冊”，錢學森和聶榮臻都很生氣，聶榮臻第一時間向毛澤東彙報，毛澤東義憤填膺，當即決定把原子彈計劃定為“596”，讓中國的專家盡快研究出原子彈數據模型，不久後，捷列夫離開中國返回蘇聯，中蘇徹底決裂。鄧稼先和120個團隊成員沒日沒夜核算蘇聯專家留下的數據，結果都不對，他們隻好一遍一遍驗算，一直到第四遍還是不符，鄧稼先隻好讓大家進行新一輪的驗算，鄧稼先的生日到了，錢三強親自過來慰問，還給他送來一碗長命麵，勸他早點回去休息，可鄧稼先不想搞特別，堅持和團隊成員同甘共苦。
錢學森請秦品元加入原子彈的研發，秦品元來到北京，可是需要嚴格的政審，軍改幹部查出他哥哥在台灣，便強行把他趕走了，錢學森得知此事後，立刻向聶榮臻彙報，聶榮臻親自帶軍改幹部去火車站追秦品元，可火車已經開走了，聶榮臻派軍改幹部買下一趟去重慶的火車親自去請，還讓他帶上自己的鋼筆做信物。秦品元同意跟軍改幹部回北京，臨行前，秦品元給秦子衿寫了一份信，地址是20號信箱，秦子衿知道父親也像姐姐一樣做保密工作，不久後，秦子衿被派往戈壁灘上的馬蘭基地，她準時來報到，看到團長李響把戰士們涉及基地機密,的信全部銷毀，重複無常提醒他們不許在信裏寫關於基地的任何事，並且地址隻能寫21號信箱，戰士們隻想知道他們要幹什麼。
秦子衿拍下了這一幕，李響接到了上級命令，當眾宣布這是國家籌建的原子彈基地，戰士們群情激奮，一起投入了緊張和艱難的建設中。鄧稼先率領團隊成員整整忙了一年多，核算了九遍之多，鄧稼先終於想明白一件事，他們核算-的數據是對的，原子彈理論數據模型終於成功了，蘇聯專家故意提供了錯誤的數據來誤導他們，鄧稼先當眾宣布了這個好消息，他深深鞠躬向團隊成員表現感謝，大家激動得歡呼雀躍。
1960年，由於天災人禍，中國進入困難時期，夥食班特意給毛澤東送來一碗肉，他堅決不吃，讓人給其它同誌送去，周恩來向毛澤東彙報了一件事，有人建議暫緩兩彈的研究，毛澤東堅持不同意，寧肯勒緊褲腰帶，也要研究出兩彈。火箭專家郭永懷來新疆羅布泊靶場做實驗，看到這裏黃沙漫天，司令向他彙報原子彈的進展情況，他不感興趣，隻關心火箭的進展，司令覺得這兩個根天職不開。石油部長餘秋裏親自來車站接從玉門趕來...的王進喜和三十七名鑽井工人，王進喜迫不及待地想馬上投入工作，餘秋裏勸他要先休息好，才能更好的工作。