1949年新中國成立后，面對國際敵對勢力威脅和抗美援朝戰(zhàn)爭考驗，馮石將軍（李雪健飾）受命主持原子彈研發(fā)工作。這位不懂核物理的軍人將領(lǐng)帶領(lǐng)部隊進駐西北戈壁灘，與從美國歸來的科學(xué)家陸光達（李幼斌飾）及各方調(diào)集的科研精英會合。在蘇聯(lián)專家突然撤離、技術(shù)資料被封鎖的情況下，團隊既要克服極端自然環(huán)境和物資匱乏的生存困境，又要突破理論計算與實驗驗證的技術(shù)瓶頸。馮石以軍事化管理模式統(tǒng)籌工程進度，陸光達帶領(lǐng)團隊完成鈾濃縮和核裝置設(shè)計等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)過數(shù)年攻堅，1964年中國首顆原子彈試驗成功，蘑菇云在羅布泊騰空而起，標志著國防科技體系實現(xiàn)歷史性突破。