在兰州铀浓缩厂，王承书(苗露文 饰)正在为几千台机器设备的联机安装进行设计计算，一个新的问题出现了：没人懂得制造铀分离膜的技术。钱三强(王同辉 饰)为此成立了攻关任务领导小组，重任交给了物理冶金学家吴自良。

张洁(王乐君 饰)和丁健飞(王东辉 饰)跟随王淦昌(李虎城 饰)、陈能宽进行爆轰试验，张爱萍(茅 菁 饰)前往视察慰问。张洁说出了自己的最大心愿：去中南海见毛主席。她万万没想到，几天后这一梦想居然成了真。有趣的是，当毛泽东(韩中 饰)问张洁做什么工作时，她竟对毛泽东保起了密。

科学家们突破了原子弹原理之后，又开始了第一颗原子弹理论设计方案的研究；导弹方面则在钱学森(胡亚捷 饰)(胡亚捷 饰)带领下，组织落实几项重大的基础设施建设，如大型火箭发动机试车台、全弹振动试验塔、全弹试车台、超声速风洞等。

刘杰(霍青 饰)和钱三强给中央正式立下军令状：争取1964年，最迟在1965年，爆炸我国第一颗原子弹。聂荣臻(谢钢 饰)表示：“这军令状不仅是你们立的，也是我聂荣臻立的！”