上世纪四十年代，加州理工学院终身教授钱学森（陈坤 饰）由于美国兴起的反共言论而备受打击他的尖端技术研讨自愿中止，并被责令出境。钱学森心系祖国，归心似箭，而看法到钱学森的庞大价值的美方又对其归国设置了重重阻碍，甚至以特务罪拘捕钱学森。最终，宣告无罪的钱学森被临时幽禁在家 中。
钱学森写信辗转与祖国取得联络，周恩来授命用11名美国战犯飞行员换回了钱学森。
面对新中国技术、人才、工业等各方面的空白，钱学森率领科研人员从仿制入手，依据现有技术和条件逐渐研讨、完善，奠定了中国导弹的基础。
1960年11月，第一枚导弹试射成功。
1964年10月，第一枚原子弹实验成功，钱学森又承当起了研制火箭运载原子弹停止远程攻击的义务，他率领科研人员克制了天气天文等困难，完成两弹对接，1966年10月在罗布泊靶场成功试射新中国第一枚核导弹！
