1958年北京，研究小組成員大膽地提出自己對核潛艇的設想。于所長找小李打聽誰的整合能力最強，小李告知是黃旭華(黃曉明 飾)，能夠聽取不同的意見。于所長看到自己一個人坐在位置上的黃旭華，于是找他談話，好奇他怎么不參加討論。黃旭華解釋自己沒有最大程度地占有資料，不好發言，只能點點滴滴地收集資料，而現在需要三面鏡子，并一一說明，于所長發現黃旭華還挺有想法。夜里，黃旭華想著給李世英(陳好 飾)寫信，可是寫了好些內容都覺得不合適，最后只是關心她和女兒的事，并給了北京信箱的地址，讓李世英回信寄這里。李世英收到黃旭華的來信，終于有了黃旭華的信息感覺很安心。黃旭華回宿舍，見到嚴保國是特別驚訝，嚴保國也是來參加這項秘密的任務，黃旭華趕緊向嚴保國打聽女兒的情況，嚴保國好奇核潛艇的研發現在到什么進展了，黃旭華嘆氣，一開始所有人都干勁十足，組織讓每個人都提出設想，后來是一點點地發現以前學的那些東西完全用不上，真不是常規潛艇里裝上能用的，一切從零開始。嚴保國覺得黃旭華有些悲觀，蘇聯老大哥的核潛艇已經下水，只要有老大哥的幫助，他們三年之內肯定能下水。黃旭華直言嚴保國太盲目樂觀，他們一沒有經驗，二沒有資料，連常規潛艇都沒造過，這就是問題所在。黃旭華認為第一艘核潛艇，應該著眼于未來的戰斗，需要時間，為的就是給國家造出一個既能震懾敵人又能應付戰爭的東西，如果只是樣子貨根本沒用。研究組成員現在是只恨手中掌握的資料還是太少，他們根本就沒見過潛艇的照片，要怎么研發。會議上，于所長問大家三年時間核潛艇能不能下水，黃旭華明確三年時間不行，即使補充新力量也不行，因為設計研發是不能用時間表的。嚴保國也補充為什么三年時間不行，于所長不相信，而且他們有老大哥的支持并不是從零開始，他個人相信三年甚至更短的時間就能研制出自己的核潛艇。中國代表團訪問蘇聯回來，于所長喊來黃旭華和嚴保國談話，核潛艇下水的時間推遲，要在六五年以后，但工作一點也不能松懈，要爭取下水的時間，早日獲得一手參數，現在組織把尋找水池測試的任務交給黃旭華和嚴保國負責。黃旭華和嚴保國去了上海，看著熟悉的一切，黃旭華恨不得拉開車門跳下車回家，其實嚴保國也跟黃旭華一樣的想法，但他們為了工作只能忍著。嚴保國通知黃旭華，組織特批他們一天假可以回家看看，但要注意保密紀律。黃旭華就感覺在做夢一樣，難以相信。李世英剛到家門口，聽到家里傳來口琴的聲音，猜到是黃旭華回來了，直接就奔進家中，看到黃旭華的那一刻，喜極而泣。二人相擁，黃旭華一直同李世英說對不起。李世英讓女兒喊爸爸，可女兒好久沒見到爸爸都認生了。李世英給黃旭華理發，黃旭華拿著鏡子偷偷地看著李世英。夫妻二人聊天，李世英問黃旭華以后能不能常回來，黃旭華清楚李世英的心里有多期待，卻也只能讓李世英失望。次日，黃旭華騎著自行車去上班，女兒竟然喊了聲爸爸，黃旭華聽了特別激動。在水池子里泡了兩年，可還是沒有任何結果。黃旭華還接到父親離世的電報，可為了工作他沒有回去見父親最后一面，但相信父親在天之靈會明白的。好在母親特別通情達理開明，理解黃旭華沒能回來一定是有難處。1962年，黃旭華將妻女接到北京，跟嚴保國一家住在一個院子里，也好互相照應。組織上已經跟李世英談過話，李世英現在是終于知道黃旭華在做什么，感覺特驕傲，為了讓黃旭華安心，讓他以后家里的事就別管了。