50年代初期，新生的中國(guó)一直被核恐嚇的陰云籠罩，在朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)以及臺(tái)海戰(zhàn)爭(zhēng)中美國(guó)不止一次利用核武器威脅中國(guó)，就是在這樣的背景下中國(guó)開始了研究核武器這樣一個(gè)偉大而又艱巨的征程。受數(shù)學(xué)教華羅庚歸國(guó)前和同學(xué)們留下的話語(yǔ)感召，留美鐘培林教授要帶著自己的學(xué)術(shù)成果回到疑難多多的祖國(guó)，為祖國(guó)獻(xiàn)出自己的力量，但是女兒鐘心勸說(shuō)父親不要著急回國(guó)，可以等自己的學(xué)術(shù)結(jié)果完成之后再考慮，但是鐘教授心意已決，科學(xué)沒有國(guó)界但是科學(xué)家有國(guó)界，新生的祖國(guó)還需要更多科學(xué)家去建設(shè)，祖國(guó)才是中國(guó)人的根。

鐘教授秘密與一些留美的教授見面，其中就有一直被監(jiān)視好不容易擺脫的林教授，大家正在商量如何離開美國(guó)回到祖國(guó)的懷抱，美國(guó)警方就上門來(lái)逮捕林教授，大家匆忙離開，林教授只交代了鐘教授找到方明就能營(yíng)救自己回國(guó)，送走了大家林教授獨(dú)自一人面對(duì)美國(guó)警察。王懷民和何吟薇是一對(duì)留學(xué)蘇聯(lián)研究物理學(xué)的夫妻，蘇聯(lián)為留住在物理學(xué)研究有突出研究能力的兩位，提出讓何吟薇還在肚中的孩子以蘇聯(lián)國(guó)籍和最好的教育，同時(shí)讓兩人立刻加入國(guó)家科學(xué)研究院。以黃凱華為首的其他同學(xué)要離開蘇聯(lián)回去支援祖國(guó)，大家都有些瞧不起要留下的王懷民夫婦，憤而離開了。

鐘教授等面對(duì)美國(guó)海關(guān)層層審查，女兒鐘心早已和移民局打好關(guān)系加入到今天的檢查翻譯工作，為父親翻譯掩蓋林教授留下的字條，使父親順利通過(guò)，和父親分別時(shí)承諾祖國(guó)見，父女兩依依不舍。這些深居海外的中國(guó)科學(xué)家響應(yīng)祖國(guó)號(hào)召，放棄了比較完善的科研環(huán)境義無(wú)反顧地回到祖國(guó)。這其中也包括了王懷民夫婦，他們最終放棄了蘇聯(lián)開出的優(yōu)渥條件坐上了回國(guó)的列車。同學(xué)們都好奇王懷民和何吟薇為何決定回國(guó)，王懷民將深藏在畫中的科研數(shù)據(jù)亮給同學(xué)們看，同學(xué)們都很激動(dòng)。

王懷民要繼續(xù)將其余油畫上的數(shù)據(jù)展示，準(zhǔn)備蒸餾出更多的酒精去擦拭顏料顯露數(shù)據(jù)，卻被中國(guó)解放軍陶志綱出手制止，他以為這些歸國(guó)的科學(xué)家只是不學(xué)無(wú)術(shù)浪費(fèi)糧食的文人，與眾人一番爭(zhēng)執(zhí)還是拿走了酒。但其是從朝鮮戰(zhàn)場(chǎng)上下來(lái)的解放軍，戰(zhàn)爭(zhēng)的陰影還深深地影響著他。一下火車就有老戰(zhàn)友接待，并著當(dāng)?shù)氐谖遽t(yī)院的護(hù)士和楊佳蓉準(zhǔn)備接其去醫(yī)院進(jìn)行治療，但是陶志綱堅(jiān)稱自己病已經(jīng)痊愈不用去醫(yī)院，但在楊佳蓉一番勸說(shuō)之下乖乖地去往醫(yī)院。

一路尾隨王懷民和何吟薇的特務(wù)在下車時(shí)伺機(jī)搶奪箱子里的資料，特務(wù)將何吟薇推到奪走箱子，王懷民在何吟薇的催促下拼命追著箱子，陶志綱出手幫忙追擊特務(wù)。被特務(wù)推倒的何吟薇遭遇早產(chǎn)加難產(chǎn)，楊佳蓉一直在旁幫助。特務(wù)一直在逃竄，手中還有武器用來(lái)傷人，在竄上正在行進(jìn)的火車時(shí)被陶志綱用槍擊中，箱子被奪回但是王懷民被撞擊后腦勺暈過(guò)去了。等他再醒來(lái)時(shí)與妻子何吟薇已是天人永隔，生下的男孩一出生就失去母親。何吟薇臨終前再三拜托楊佳蓉要替自己照顧孩子，楊佳蓉為自己沒能挽回一條人命而痛哭答應(yīng)。

王懷民沒能從失去妻子的痛苦中走出，他質(zhì)問(wèn)楊佳蓉為何沒有基本的醫(yī)療常識(shí)救活一條活生生的人命，但是楊佳蓉作為一名護(hù)士對(duì)于產(chǎn)婦大出血的情況也無(wú)能為力，陶志綱訓(xùn)斥王懷民為何要將所有的錯(cuò)怪罪在一個(gè)小姑娘身上，。王懷民沒有照顧兒子，而是不斷地給妻子何吟薇寫信，表示失去妻子的自己唯有努力工作才能忘記痛苦，以自己一人之軀擔(dān)負(fù)起兩個(gè)人的理想，幸好兒子振理還有楊佳蓉幫忙照顧，否則他更加手足無(wú)措。陶志綱在觀看戰(zhàn)斗影片時(shí)始終無(wú)法忘記戰(zhàn)場(chǎng)上戰(zhàn)友對(duì)自己的一聲聲呼喊。