焦裕祿因病情惡化醫治無效離世，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-的時間，終於完成了原子彈核心部分，隻剩下鈾球最後三刀，鄧稼先親自送全副武裝...的技術工人原公浦進入了基地車間，秦子衿想進去拍攝全過程，鄧稼先沒有不同意，擔憂輻射會導致她的不孕不育，秦子衿隻好在外麵期待。二十分鍾後，鄧稼先和原公浦手拉手從實驗室出來，他們終於完成了最後三刀，秦子衿拍下這珍貴的一幕。
李響主動報名去做第一次核爆安全員的工作，秦子衿也要跟著飛機去執行任務，二人惺惺相惜。聶榮臻陪周恩來觀看核爆試驗，他深知這次核爆的意義，所有技術人員整整忙了十年之久，還有三百個人為之犧牲，他不敢掉以輕心，周恩來當即決定原子彈起爆時間定在10月16日下午三點，聶榮臻馬上去安排。錢三強打電話向周恩來彙報，鄧稼先母親生命垂危，周恩來讓他安排最好的醫生和醫院進行救治，讓許鹿希決定讓不讓鄧稼先回來看最後一眼，錢三強征求許鹿希的意見，許鹿希也想讓鄧稼先回來，可是至今還沒有研究出結果，她替鄧稼先不甘心。
1964年10月16日，是原子彈起爆的日子，新疆羅布泊核試驗基地,的空氣中都多了幾分緊張氣氛，張覺特意讓夥食班準備了肉包子，可專家和戰士們都吃不下，張覺親自給郭永懷和鄧稼先送來了包子，正好周恩來打電話到基地，特意轉達了毛澤東對大家,的問候，他們會在北京關注原子彈的起爆情況，同時預祝實驗成功，郭永懷和鄧稼先馬上信心百倍。下午三點，原子彈成功起爆，李響帶著戰士們去核心地區采樣，機組成員多次申請穿越蘑菇雲，成功采集了樣本，經過專家分析，中國第一枚原子彈成功起爆，在場合有人都歡呼雀躍，鄧稼先和郭永懷激動地緊緊擁抱。
鄧稼先得知母親病重的消息後第一時間趕回了北京，許鹿希看到了報紙上原子彈爆炸新聞，迫不及待拿給婆婆看，婆婆激動得老淚縱橫，她不知道鄧稼先六年來一直在研製原子彈，一直地替鄧稼先惋惜，遺憾他沒有加入原子彈的研製工作，鄧稼先急匆匆趕到醫院，他緊握母親-的雙手，母親已經奄奄一息。許鹿希來找錢三強，想讓鄧稼先如實向母親說明實情，了卻老人的心願，錢三強立刻打電話向周恩來彙報，周恩來特批鄧稼先把這個秘密說出來，鄧稼先如數家珍向母親說明了實情，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情，鄧稼先不能說，隻是向她深深鞠躬，然後默默關上家門離開了。李響去醫院體檢，醫生從他的尿液和血液中都查出了放射元素，秦子衿-的身體裏也查出少量的放射元素，她約李響來孔雀河邊詳談。秦子衿一見麵就向李響注解決心，她要在基地幹一輩子，擔憂身體裏的放射物質不能生孩子，她不想延誤李響，李響當即決定和她結婚，宣誓要掩護她一輩子，秦子衿激動萬分，拿出了結婚申請書，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，他們都因為受輻射影響有不同水平的掉察覺象。隨後，鄧稼先去內蒙看在那裏插隊的女兒典典，父女倆久別重逢，激動之情溢於言表，鄧稼先給典典送來幾罐肉罐頭，典典擔憂以後吃不到會更難受，也不想搞特別化，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。典典宣誓要像鄧稼先那樣優秀，鄧稼先給她拿來一本英語書，首先教她學會祖國這個單詞。
陸舫東抓緊一切時間學習英語，結果不小心把運電纜的車側翻，郭永懷讓戰士們檢查一下電纜，向司令申請讓陸舫東給他當助手，陸舫東自然求之不得。錢學森求賢若渴，從全國各地找來了衛星相關專業的十八位研究員，孫家棟很開心，鼓勵大家隻爭旦夕，再次發明奇跡。郭永懷收到在內蒙古插隊的女兒郭芹的來信，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。妻子李佩給他準備了大衣，郭永懷很納悶，李佩沒有問他接下來去哪裏工作，隻表現會一直等他回來，郭永懷踏上了去青海的征途。1968年12月5日，青海熱核基地狂風鴻文，伸手不見五指，郭永懷要帶陸舫東去北京彙報熱核試驗,的結果，途中飛機失事，郭永懷在這次空難中不幸身亡，臨死前手裏還緊緊地握著資料不願鬆開。