中國政府秘密派部隊前往新疆羅布泊，尋找適合軍火實驗的基地。核研究基地張覺司令帶領部隊抵達新疆羅布泊，在邊遠地區發現了先人留下的墩煌壁畫。先人將神仙飛天的情景描繪得惟妙惟肖，張覺進入莫高窟，一臉驚嘆打量四面墻上的壁畫。
先人畫技巧奪天功，渾然天成。張覺懷著敬仰的心理，決定向上級匯報在新疆發現了壁畫。核實驗雖然重要，但老祖宗留下的文化遺產也非常重要，不能因為做核實驗破壞老祖宗留下來的文化。羅布泊荒涼無比，地表覆蓋著沙漠，進入羅布泊，很難找到水源。
核實驗部隊深入羅布泊，缺少水源。一些戰士發現不遠處有大海，于是發出歡呼聲，下車往大海出現的方向奔去。張覺舉起望遠鏡眺望大海，所謂的大海其實是海市蜃樓。張覺大聲提醒戰士們回來，在他的呼喊聲中，戰士們這才意識到遠處沒有海，只是一場幻像。
隊伍里負責找水的董大個失蹤不見，張覺一行人漫無目地在沙漠里尋找，找到了董大個留下的刀。一行人按照刀指向的方向，找到了水源。董大個為了找到水源，付出了自己的生命。張覺一行人心情沉重埋葬了董大個留下的遺物。
有水的地方適合長期扎駐，張覺吩咐通訊兵給組織發電報，匯報已經在羅布泊找到了適合研究核武器的基地。錢學森(郭曉冬 飾)回國后投入到核武器研究中，蘇聯政府出爾反爾，半途撤回幫助中國研究核武器的專家。沒了蘇聯專家指導，核武器研究團隊進度緩慢。
鄧稼先把研究所當成自己的家，很久沒有回家了，連自己生日到來也不知道。錢學森端了一碗好菜給錢學森慶生，錢學森認為團隊里面還有其它人也有可能在過生日，他決定不過生日了，等到研究出核武器后，再給隊員們辦一個大生日宴。
秦品元是火箭推進專家，但他因為政審不過關，無法參加核武器研究。有關部門領導非常重視秦品元，責令負責政審的部門重新審核秦品元。秦子袊不遠萬里趕到新疆羅布泊，正好看到李響(李麟 飾)在教訓想寫信回家的戰士們。寫信有可能泄露政府研究原子彈，李響告訴戰士們，眾人負責建設原子彈實驗基地，如果想回家，只有實驗成功了才能回家。
核實驗團隊反復計算蘇聯專家留下的數據，但始終算不對。鄧稼先意識到了蘇聯專家故意提供了錯誤的數據，于是反其道行之，終于帶領團隊算出了正確的數據。余秋里跟周恩來(夏德俊 飾)通電話，周恩來過問石油開采進度。余秋里信心十足，保證完成政府的任務。
余秋里請來了石油鉆井隊長王進喜。王進喜帶了幾十個隊員過來，積極向余秋里請求布置任務。余秋里希望王進喜團隊先休息，王進喜認為余秋里大老遠召集他的團隊，任務一定非常緊急，他不同意休息，恨不得立即開始干活。
