郭永懷(李乃文 飾)的死訊傳來，妻子李佩傷心得痛不欲生，她撫摸著與丈夫的合照，口中不停地叨念著，再過四個(gè)月他才到60歲，女兒郭芹在內(nèi)蒙古聽到父親遇難的消息后哭得死去活來。郭永懷的公文包里裝了數(shù)據(jù)資料和珍貴文獻(xiàn)，他和陸舫東死死地抱住了這個(gè)公文包，使得資料被完整地保存下來，周恩來(夏德俊 飾)看到這些后也濕了眼眶，他叮囑錢三強(qiáng)(王勁松 飾)和錢學(xué)森(郭曉冬 飾)(郭曉東 飾)，一定要珍惜郭永懷用生命保護(hù)下來的資料，盡快完成熱核武器的實(shí)驗(yàn)。

1970年，王進(jìn)喜帶領(lǐng)工人們開發(fā)大慶油田，他不怕苦不怕累，最后犧牲在了大慶油田，而他的鐵人精神被流傳至今。距離東方紅衛(wèi)星發(fā)射還有121天，革委會(huì)的工作人員卻把孫家棟(林江國(guó) 飾)和一些科技人員抓走了，導(dǎo)致工作無(wú)法正常進(jìn)行，錢學(xué)森氣得大發(fā)雷霆，經(jīng)過他的四處奔走，終于把孫家棟暫時(shí)解救出來。孫家棟和錢學(xué)森不分晝夜，抓緊一切時(shí)間做實(shí)驗(yàn)，直到一切正常，孫家棟才重新回到學(xué)習(xí)班，1970年4月24日，孫家棟和錢學(xué)森一起站在窗前，仔細(xì)聆聽著第一顆人造衛(wèi)星“東方紅”發(fā)射的聲音，二人激動(dòng)萬(wàn)分，蔣英用鋼琴演奏起“歌唱祖國(guó)”的曲子，為這一偉大的時(shí)刻歡呼。

王梓被革委會(huì)的紅衛(wèi)兵送回家，逼迫他把“歌唱祖國(guó)”的歌曲改得面目全非，王梓堅(jiān)決不干，他帶著視障學(xué)校的孩子們高唱這首歌，隨后被抓去了學(xué)習(xí)班，一塊被抓的還有施光南，二人見面后惺惺相惜。楊振寧要回美國(guó)，臨走前他向周恩來申請(qǐng)后才得以見到鄧稼先(于洋 飾)，楊振寧好奇他消失這么多年在忙什么，懷疑鄧稼先在搞兩彈，可又覺得不可能，這些技術(shù)只有美國(guó)和蘇聯(lián)能做，鄧稼先避而不談，親自送楊振寧離開。這時(shí)，鄧稼先接到了周恩來辦公室的來電，他得到授權(quán)后，向楊振寧一五一十說明實(shí)情，兩彈一星都是中國(guó)人自己搞出來的，楊振寧得知后非常吃驚。

中國(guó)正式成為聯(lián)合國(guó)的常任理事國(guó)，楊振寧看到這一新聞后，不禁為鄧稼先感到驕傲。核彈沒有實(shí)驗(yàn)成功，鄧稼先主動(dòng)去現(xiàn)場(chǎng)勘查，李響(李麟 飾)要陪他一起去核爆中心，距離核心位置還有幾公里，鄧稼先強(qiáng)行讓李響停車，還把車鑰匙拔下來，鄧稼先冒著飛沙走石和狂風(fēng)獨(dú)自趕往核爆區(qū)，突然一陣大風(fēng)吹來，他站立不穩(wěn)，被吹下了沙丘，鄧稼先探測(cè)到核彈完好，用對(duì)講機(jī)通知部隊(duì)進(jìn)場(chǎng)，可以再次起爆，他則因?yàn)樵馐芰撕溯椛涠粑щy。

鄧稼先回家休息，教兩個(gè)孩子做數(shù)學(xué)題，醫(yī)院把檢查結(jié)果打電話通知了許鹿希(丁柳元 飾)，鄧稼先身體受到大量核輻射的侵蝕，只得被迫住院治療，可他在病床上依舊堅(jiān)持工作，許鹿希很是心疼，忍不住埋怨他一番，鄧稼先覺得愧對(duì)她和孩子們，答應(yīng)下輩子再來補(bǔ)償對(duì)他們的遺憾。鄧稼先在醫(yī)院住了一年多，可病情始終不見好轉(zhuǎn)，一個(gè)月后，鄧稼先因病逝世。

1996年，秦子衿(佟麗婭 飾)和李響帶著兒子一起來祭拜秦品元，這時(shí)，中央宣布了暫停核試驗(yàn)的決定，李響和秦子衿終于等到這一天，兒子也拿出錄取通知書，他表示要接父母的班，繼續(xù)為祖國(guó)的航天事業(yè)做貢獻(xiàn)。