新中國建立之初，大難初定，百廢待興。然而國際局勢分外險惡，中華人民共和國仍處在風雨飄搖的關鍵時刻。近有盤踞台灣的國民黨政權蠢蠢欲動，時刻準備反攻大陸；外有美國爲首的帝國主義伺機推翻新中國，從中漁利。爲了與對手和列強抗衡，中共審時度勢，敞開胸懷招攬海外的華人科學家歸國，共同發展國防事業。感受到了祖國的召喚，錢學森（陳建斌 飾）、鄧稼先（鄭國霖 飾）、錢三強（楊洪武 飾）等科學家懷著一顆赤子之心，突破重重阻力投向祖國的懷抱。與此同時，國際上風雲變幻，中蘇關係交惡，抗美援朝戰爭也令原子彈的陰影進一步威脅中國的安全。
科學家們與祖國人民團結一心，爲打造屬於自己的「兩彈一星」付出了無盡的努力……