1955年1月18日，中国人民解放军收复一江山岛的消息传到了美国，美国立即对中国进行了核威胁。对此，毛主席表示，原子弹并不能决定战争的胜利，中国人从来不会畏惧任何国家的威胁。但有原子弹才能有话语权，主席下令立即研发中国的原子弹。
冯石将军收到命令，担任原子弹项目的总指挥，他懵了，但他也明白原子弹的重要性。于是，冯石将军就带着上甘岭战役中的英雄部队，出发到了大西北。在行军途中，士兵们传达着一条命令。战士们走了几天，终于到达了敦煌莫高窟。第二天，苏联的科研人员来了，当夜，中苏人员围在一起聚餐，而冯石却心事重重。
原来冯石是为那些精美绝伦的敦煌壁画担心，如果在此进行核试验，壁画就会毁于一旦。第二天，冯石向上级汇报了自己的想法，上级和他意见相同。于是，冯石带领部队，向死亡之海罗布泊走去，寻找新的试验基地。这里环境恶劣，到了了晚上，还发生了沙尘暴，等到风平浪静之时，一支小分队却失踪了，只留下了一只鞋子，他们永远地留在了这片土地上。
足足走了一年，冯石终于走到了罗布泊，解放军们兴奋极了。冯石坐在湖边，看着眼前的景色，写下了一首诗。有了场地，下一步就是寻找人员了。1958年，陆光达博士放弃了家庭，投身到了原子弹的研究中。
次年，苏联撤走了专家，还将图纸烧了，研发人员只能捡起火堆中的图纸残片，试着将它们拼凑起来。当晚，郁闷的陆光达回到家中，和妻子短暂了相聚了一下，第二天，两人又分别了。
这天，冯石给将士们开动员大会，他明白战士们的辛苦，但面对美国的核威胁，中国必须要研发自己的核武器。随着他的号召，底下的将士们群情激奋，纷纷高喊起“为人民立功，为祖国争光”的口号。
你知道怎么造出原子弹吗？陆光达博士在黑板上写了满满一黑板的公式，这样复杂的公式，研究院的人员们没有计算机，只能用算盘算。整个房间内，没有一个人说话，只能听见拨动算盘的声音，到了饭点，他们啃两口馒头就继续工作，有的甚至醉心计算，连馒头都忘了啃。
突然，有一个研究人员发问，有一项数据他演算了好几遍也和苏联的图纸对不上，陆光达仔细看过演算步骤，想到会不会是苏联错了？于是他赶紧回到办公室，飞快地演算起来，果然如他所料，他正要离开，才想起身边，来看望他的妻子，他和妻子简短地说了两句话就离开了。妻子看着陆光达的背影，目送他离开，在国家大事面前，她只能牺牲自己，全力支持丈夫的工作。
没过几天，科研组到了罗布泊，解放军们排成长队欢迎他们。到了接风宴上，部队开了许多罐头榨菜为科研人员接风洗尘，陆光达看着这一切，明白在当时的环境下，这已经是最好的招待了。
这天，陆光达来到基地，发现用来修建基地的混凝土居然是用盐碱水搅拌的，由于此地干旱，淡水资源非常稀少，冯石劝陆光达将就一下。但是陆光达有自己的坚持，用这种建筑来测试原子弹是绝对不行的，他坚决让工地等到有了淡水再施工，已经修建好的建筑也要全部拆除。冯石看着陆光达的背影，若有所思。当夜，他派出了所有卡车，前往从遥远的居民区调淡水。
陆光达让冯石换掉擅自用盐碱水施工的部队，但冯石却非常犹豫，就在二人争执的时候，这支部队冒着大雨，来负荆请罪了。陆光达被他们打动了，不再坚持。
1962年，美军提出，要将中国的核工业消灭在摇篮中，对此，首长亲自向陆光达等人下达了中央的命令。但此时正值三年自然灾害时期，全中国都陷入了水深火热之中，遥远的戈壁滩更是严重缺乏物资，上千人患上了夜盲症，身体也都有不同程度的衰弱。
面对这样的局面，冯石下令，但是陆光达并不赞同。科研人员和解放军们就吃着飘着树叶的菜汤，偶尔能啃上一个窝头，就凭这些根本无法支撑他们沉重的脑力劳动和体力劳动。
这里是中国原子弹研究基地，这里缺水缺粮，还会爆发沙尘暴，将士们只能死命拉住绳子，维持帐篷不被吹跑，而科研人员们更是用自己的身躯护住仪器，环境艰苦，他们不曾抱怨过一句。
过了几天，补给的物资来了，为了防止仪器被雨打湿，两边人员冒着大雨运送，而最让陆光达惊喜的，是他的妻子也来了，夫妻二人终于得以重聚了。
1964年，原子弹核心部件运往罗布泊，陆光达则前往北京开会，在路上，他遇到了自己的老同学夏世中，没想到外媒记者拍下了两人谈笑的照片，还登报造谣。导致陆光达遭到了中央的怀疑，被保密局赶了出来，所有的图纸也被拿走了。
这个时候，冯石站了出来，他相信陆光达的为人，找到首长，用脑袋担保陆光达的清白。首长轰走冯石后，陷入了沉思，随后他拨通了总理的电话，就这样，冯石在回去的专机上，看到了那张熟悉的脸，两人相视一笑，百感交集。
回到罗布泊后，陆光达和冯石坐在戈壁上聊天，陆光达将夏世中的成就告诉冯石，冯石十分感慨，他认为如果陆光达留在美国，也会有这样的成就的，但是陆光达并不后悔自己的选择。冯石也红着眼眶，说起了自己的经历。
1964年10月16日，原子弹试爆的这一天到了，技术人员将原子弹吊装上塔，所有战士们穿着防护衣紧急撤离，陆光达和冯石坐在远处，静静地看着爆炸中心。随着一声巨响，一朵巨大的蘑菇云腾空升起，所有人都激动地欢呼了起来。这是历史性的一刻，中国成为了世界上第五个拥有原子弹的国家，全体成员近十年的努力有了回报。
到这里，电影就结束了，冯石将军的原型是中国第一人核司令张蕴钰将军，而陆光达的原型相信你已经猜到了，那就是邓稼先，他隐姓埋名了一辈子，为中国的国防事业作出了巨大的贡献。