1950年，中華人民共和國成立后第106天，秦子衿和妹妹秦子佩來到天安門廣場，她們倆很興奮，秦子衿的身體里還殘留一顆子彈，她耿耿于懷的是位于東交民巷的美國領事館還有駐軍。與此同時，李響帶解放軍來到美國領事館，領事柯樂柏硬著頭皮出來，李響向他宣布了一道驅逐令，因為中美沒有建交，他們只是普通美國公民，不能繼續住在大使館，柯樂柏只好乖乖離開，秦子衿和秦子佩看到這一幕，心里別提多開心了。

身在錢學森和郭永懷志同道合，他們倆一心想回國參加建設，可美國政府把錢學森的八個行李箱全部扣押，不許他離開住處，隨后，美國特工又把錢學森抓走。天津文工團的作曲家王梓來到北京，親眼目睹了物理學家鄧稼先回國，人們夾道歡迎，鄧稼先激動萬分，帶著大家一起高唱國歌，王梓在一旁伴奏。

王梓乘坐火車從北京回天津，他靈感大發，當場寫了幾句歌詞。王梓冒著大雨回家，身懷六甲的妻子王慧芬正在家里等他，王梓迫不及待哼唱起來新寫的歌曲，王慧芬突然腹痛難忍，眼看孩子就要出生了，王梓趕忙把她送去醫院，王慧芬生了一個女兒，王梓抓緊一切時間寫完那首歌。

王梓在收音機里聽到自己寫的那首“歌唱祖國”，他興奮地跟著一起唱，王慧芬也為他高興，王梓當即決定要參加抗美援朝志愿軍，王慧芬也不便阻攔。1955年，李四光和錢三強在廣西梧州發現鈾礦石，他們第一時間來向毛澤東匯報，鈾是制造原子彈最重要的原材料，周恩來建議讓地質學院的學生們提前畢業去開發鈾礦。

毛澤東不想再被外國列強壓迫，讓李四光和錢三強盡快著手原子彈的開發。秦子佩放棄了保研的名額，主動要求參加地質隊，秦子衿在新華社做記者，她來到火車站送她，苦苦規勸她不要放棄保研，可秦子佩覺得自己的工作更有意義，她想秦子衿保密。

秦子佩和同學們來到湖南郴州的大山深處探測，很快找到鈾礦脈，秦子佩想用這次的成果作為獻給國慶的禮物，她親自到懸崖峭壁上勘測，終于發現了礦脈的中心，她很開心，突然腳下一滑摔落山崖。

秦子衿來為秦子佩送葬，她傷心地痛不欲生，至今不知道秦子佩是做什么工作的，沒法向老父親交代。秦子佩的父親秦元是火箭專家，他得知秦子佩的死訊，傷心地無以復加。錢學森向祖國發出了求救信，美國留學生走上街頭游行示威，強烈要求放錢學森夫婦回國，美國政府迫于壓力，只好把錢學森和蔣英回中國。

錢學森和蔣英終于踏上了回國的輪船，他們倆站在甲板上百感交集，一起高唱“歌唱祖國”。錢學森一回國就被請到中央軍委講課，陳賡親自在大門外迎接他，陳毅和聶榮臻等開國大帥都在場，錢學森發誓要從今天開始創造奇跡，成立中國的火箭軍。

鄧稼先來找機械部部長錢三強報到，錢三強邀請他參加火箭炮的研發，可從今以后鄧稼先就要從學術界消失，不能發表論文，不能公開發表任何言論，對親人要保密，而且是無限期的，鄧稼先愿意遵守這樣嚴苛的要求。

鄧稼先妻子許鹿希是醫院的醫生，她下班匆匆趕回家給孩子們做飯，看到鄧稼先已經做好了，還把孩子們哄睡著了，許鹿希大惑不解。鄧稼先拼命討好她，這更讓許鹿希一頭霧水，飯后，鄧稼先把許鹿希叫出來單聊，他要換工作了，可能會消失很長時間，許鹿希理解他的不得已，也沒有多問，鄧稼先緊緊摟著許鹿希，兩個人像以前一起哼唱“楊家將”。