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20世纪50年代,张司令员奉命筹建我国核武器试验基地,他选择老部下何玉山、徐远征执行任务。何玉山接到命令,告别两个孩子和妻子即刻起程;徐远征在新婚之夜与妻子不辞而别。何玉山接管了从朝鲜归来的中国人民志愿军,率领战员们奔赴新战场。深夜,徐远征也踏上了列车,二人相见互致军礼。
张司令员在马兰基地的第一次党委扩大会议上,宣布部队到千里大漠寻找核试验基地的秘密使命。何玉山和徐远征分别被任命为保障部部长、工兵团团长,承担基地最艰难的保障工作和特种工程建设的重任。部队科研人员项怀瑾、李一婵夫妇分别接受新任务,并被要求不得泄露各自去向,他们将女儿寄养在林玉洁家后便出发了。
何玉山的两个孩子用黑色的汽油桶放起了炮来,炸出了爆米花,两个孩子十分兴奋,却被学校领导发现,何玉山被校长叫到学校严肃教育。丽萨告诉何玉山林玉洁独身一人不容易,林玉洁躲在被子里偷偷哭泣,何玉山听见却只能默默叹气。何玉山最终决定带着林玉洁和孩子们一起去新疆马兰,林玉洁表示再艰苦也会跟随他。
徐远征时隔一年多给林儒丫来信,信中说他可以带着家属去马兰,林儒丫这一年多受的委屈终于释放出来了。何玉山刚到部队就开始忙碌起来,林玉洁只好自己带着孩子们安顿。徐远征为保证及时完成工作,回绝了回家接老婆的安排,而是让组织帮助老婆进疆。深夜,建国还在帐篷外等待着建军,并承诺一定会找到弟弟建军。
徐远征第一时间带着儒丫来到地窖,告诉她这就是他们的家,儒丫看到家徒四壁,让徐远征找些旧报纸和糨糊,她要将家里好好收拾一番。几个小伙伴越走越远,累得精疲力尽。这时,他们看到不远处有一条清澈的河流,可后来才发现原来一切都是海市蜃楼。几个孩子天真地出来寻找建军,但现在都后悔了,建国决定和小伙伴们一起先回家。
司令员给何玉山布置新任务,到场区筹建一个气象站。此事由司令部牵头,何玉山等人全力负责保障工作。在前行的路上,何玉山在一棵树旁发现一块大石头,并埋下小儿子的小喇叭,默默流泪。气象站设备测试时发电机烧坏,何玉山带着机器立即准备赶回基地换一台。
何玉山奇迹般生还并恢复了健康,重返罗布泊气象站。气象站的成功运行,结束了罗布泊没有天气预报的历史。马兰的孩子越来越多,何玉山奉命修建马兰小学。张司令员把基地司令部办公室让出来当学校教室。林儒丫是小学教师的最佳人选,何玉山兴致勃勃地带她参观收拾好的校舍。
何玉山硬着头皮来到徐远征家,却和徐远征发生激烈争吵。随后何玉山任命林儒丫为马兰小学教导主任兼班主任。上课不久,林儒丫发现很多学生不按时交作业,徐远征以校外辅导员的身份给学生们上了一课。
林玉洁和项怀瑾在土坡上讨论过往和志向,共同等待原子弹试验成功的那一天。何建国带头逃课,几个人跑去用土法做箭拿来射老骡子,徐远征大怒,孩子们不解。何玉山事后给他们讲述老骡子“罗铁柱同志”的故事。林玉洁跟何玉山说起项怀瑾和李一婵,夫妻二人都在马兰,却彼此不知晓的事情,讲到丽萨时,林玉洁又想到了建军。何玉山向张司令员报告了项怀瑾、李一婵夫妇的事,司令员指示有关部门了解具体情况,尽快让他们一家三口团聚。
何玉山夫妇帮助项怀瑾和李一婵在马兰相见了,见证他们激动时刻的是戈壁滩上的“夫妻树”。因为李小欢和爸爸工兵团李教导员来找林老师聊家事的缘由,林儒丫说到当年徐远征音信全无,母亲曾一度劝她改嫁。这下伤了徐远征的心,他因此给岳母写信,却触犯了基地的保密纪律,或将被调离马兰。何玉山虽与徐远征有心结,但得知这位老战友可能离开马兰时却十分不忍。他去找张司令员为徐远征求情。