中國政府秘密派部隊(duì)前往新疆羅布泊，尋找適合軍火實(shí)驗(yàn)的基地。核研究基地張覺司令帶領(lǐng)部隊(duì)抵達(dá)新疆羅布泊，在邊遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)現(xiàn)了先人留下的墩煌壁畫。先人將神仙飛天的情景描繪得惟妙惟肖，張覺進(jìn)入莫高窟，一臉驚嘆打量四面墻上的壁畫。
先人畫技巧奪天功，渾然天成。張覺懷著敬仰的心理，決定向上級匯報(bào)在新疆發(fā)現(xiàn)了壁畫。核實(shí)驗(yàn)雖然重要，但老祖宗留下的文化遺產(chǎn)也非常重要，不能因?yàn)樽龊藢?shí)驗(yàn)破壞老祖宗留下來的文化。羅布泊荒涼無比，地表覆蓋著沙漠，進(jìn)入羅布泊，很難找到水源。
核實(shí)驗(yàn)部隊(duì)深入羅布泊，缺少水源。一些戰(zhàn)士發(fā)現(xiàn)不遠(yuǎn)處有大海，于是發(fā)出歡呼聲，下車往大海出現(xiàn)的方向奔去。張覺舉起望遠(yuǎn)鏡眺望大海，所謂的大海其實(shí)是海市蜃樓。張覺大聲提醒戰(zhàn)士們回來，在他的呼喊聲中，戰(zhàn)士們這才意識到遠(yuǎn)處沒有海，只是一場幻像。
隊(duì)伍里負(fù)責(zé)找水的董大個(gè)失蹤不見，張覺一行人漫無目地在沙漠里尋找，找到了董大個(gè)留下的刀。一行人按照刀指向的方向，找到了水源。董大個(gè)為了找到水源，付出了自己的生命。張覺一行人心情沉重埋葬了董大個(gè)留下的遺物。
有水的地方適合長期扎駐，張覺吩咐通訊兵給組織發(fā)電報(bào)，匯報(bào)已經(jīng)在羅布泊找到了適合研究核武器的基地。錢學(xué)森(郭曉冬 飾)回國后投入到核武器研究中，蘇聯(lián)政府出爾反爾，半途撤回幫助中國研究核武器的專家。沒了蘇聯(lián)專家指導(dǎo)，核武器研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)度緩慢。
鄧稼先把研究所當(dāng)成自己的家，很久沒有回家了，連自己生日到來也不知道。錢學(xué)森端了一碗好菜給錢學(xué)森慶生，錢學(xué)森認(rèn)為團(tuán)隊(duì)里面還有其它人也有可能在過生日，他決定不過生日了，等到研究出核武器后，再給隊(duì)員們辦一個(gè)大生日宴。
秦品元是火箭推進(jìn)專家，但他因?yàn)檎彶贿^關(guān)，無法參加核武器研究。有關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)非常重視秦品元，責(zé)令負(fù)責(zé)政審的部門重新審核秦品元。秦子袊不遠(yuǎn)萬里趕到新疆羅布泊，正好看到李響(李麟 飾)在教訓(xùn)想寫信回家的戰(zhàn)士們。寫信有可能泄露政府研究原子彈，李響告訴戰(zhàn)士們，眾人負(fù)責(zé)建設(shè)原子彈實(shí)驗(yàn)基地，如果想回家，只有實(shí)驗(yàn)成功了才能回家。
核實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)反復(fù)計(jì)算蘇聯(lián)專家留下的數(shù)據(jù)，但始終算不對。鄧稼先意識到了蘇聯(lián)專家故意提供了錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，于是反其道行之，終于帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)算出了正確的數(shù)據(jù)。余秋里跟周恩來(夏德俊 飾)通電話，周恩來過問石油開采進(jìn)度。余秋里信心十足，保證完成政府的任務(wù)。
余秋里請來了石油鉆井隊(duì)長王進(jìn)喜。王進(jìn)喜帶了幾十個(gè)隊(duì)員過來，積極向余秋里請求布置任務(wù)。余秋里希望王進(jìn)喜團(tuán)隊(duì)先休息，王進(jìn)喜認(rèn)為余秋里大老遠(yuǎn)召集他的團(tuán)隊(duì)，任務(wù)一定非常緊急，他不同意休息，恨不得立即開始干活。
