在蘭州鈾濃縮廠，王承書正在為幾千臺機器設備的聯機安裝進行設計計算，一個新的問題出現了：沒人懂得制造鈾分離膜的技術。錢三強(王同輝 飾)為此成立了攻關任務領導小組，重任交給了物理冶金學家吳自良。

張潔(王樂君 飾)和丁健飛跟隨王淦昌、陳能寬進行爆轟試驗，張愛萍前往視察慰問。張潔說出了自己的最大心愿：去中南海見毛主席。她萬萬沒想到，幾天后這一夢想居然成了真。有趣的是，當毛澤東(韓中 飾)問張潔做什么工作時，她竟對毛澤東保起了密。

科學家們突破了原子彈原理之后，又開始了第一顆原子彈理論設計方案的研究；導彈方面則在錢學森(胡亞捷 飾)帶領下，組織落實幾項重大的基礎設施建設，如大型火箭發動機試車臺、全彈振動試驗塔、全彈試車臺、超聲速風洞等。

劉杰(霍青 飾)和錢三強給中央正式立下軍令狀：爭取1964年，最遲在1965年，爆炸我國第一顆原子彈。聶榮臻(謝鋼 飾)表示：“這軍令狀不僅是你們立的，也是我聶榮臻立的！”