郭永懷(李乃文 飾)的死訊傳來，妻子李佩傷心得痛不欲生，她撫摸著與丈夫的合照，口中不停地叨念著，再過四個月他才到60歲，女兒郭芹在內蒙古聽到父親遇難的消息后哭得死去活來。郭永懷的公文包里裝了數據資料和珍貴文獻，他和陸舫東死死地抱住了這個公文包，使得資料被完整地保存下來，周恩來(夏德俊 飾)看到這些后也濕了眼眶，他叮囑錢三強(王勁松 飾)和錢學森(郭曉東 飾)，一定要珍惜郭永懷用生命保護下來的資料，盡快完成熱核武器的實驗。

1970年，王進喜帶領工人們開發大慶油田，他不怕苦不怕累，最后犧牲在了大慶油田，而他的鐵人精神被流傳至今。距離東方紅衛星發射還有121天，革委會的工作人員卻把孫家棟(林江國 飾)和一些科技人員抓走了，導致工作無法正常進行，錢學森氣得大發雷霆，經過他的四處奔走，終于把孫家棟暫時解救出來。孫家棟和錢學森不分晝夜，抓緊一切時間做實驗，直到一切正常，孫家棟才重新回到學習班，1970年4月24日，孫家棟和錢學森一起站在窗前，仔細聆聽著第一顆人造衛星“東方紅”發射的聲音，二人激動萬分，蔣英用鋼琴演奏起“歌唱祖國”的曲子，為這一偉大的時刻歡呼。

王梓被革委會的紅衛兵送回家，逼迫他把“歌唱祖國”的歌曲改得面目全非，王梓堅決不干，他帶著視障學校的孩子們高唱這首歌，隨后被抓去了學習班，一塊被抓的還有施光南，二人見面后惺惺相惜。楊振寧要回美國，臨走前他向周恩來申請后才得以見到鄧稼先，楊振寧好奇他消失這么多年在忙什么，懷疑鄧稼先在搞兩彈，可又覺得不可能，這些技術只有美國和蘇聯能做，鄧稼先避而不談，親自送楊振寧離開。這時，鄧稼先接到了周恩來辦公室的來電，他得到授權后，向楊振寧一五一十說明實情，兩彈一星都是中國人自己搞出來的，楊振寧得知后非常吃驚。

中國正式成為聯合國的常任理事國，楊振寧看到這一新聞后，不禁為鄧稼先感到驕傲。核彈沒有實驗成功，鄧稼先主動去現場勘查，李響(李麟 飾)要陪他一起去核爆中心，距離核心位置還有幾公里，鄧稼先強行讓李響停車，還把車鑰匙拔下來，鄧稼先冒著飛沙走石和狂風獨自趕往核爆區，突然一陣大風吹來，他站立不穩，被吹下了沙丘，鄧稼先探測到核彈完好，用對講機通知部隊進場，可以再次起爆，他則因為遭受了核輻射而呼吸困難。

鄧稼先回家休息，教兩個孩子做數學題，醫院把檢查結果打電話通知了許鹿希(丁柳元 飾)，鄧稼先身體受到大量核輻射的侵蝕，只得被迫住院治療，可他在病床上依舊堅持工作，許鹿希很是心疼，忍不住埋怨他一番，鄧稼先覺得愧對她和孩子們，答應下輩子再來補償對他們的遺憾。鄧稼先在醫院住了一年多，可病情始終不見好轉，一個月后，鄧稼先因病逝世。

1996年，秦子衿(佟麗婭 飾)和李響帶著兒子一起來祭拜秦品元，這時，中央宣布了暫停核試驗的決定，李響和秦子衿終于等到這一天，兒子也拿出錄取通知書，他表示要接父母的班，繼續為祖國的航天事業做貢獻。