上世紀四十年代，加州理工學院終身教授錢學森（陳坤 飾）由于美國鼓起的反共言論而備受打擊。他的尖端技術研究被迫中止，并被責令出境。錢學森心系祖國，歸心似箭，而意想到錢學森的巨大價值的美方又對其歸國設置了重重障礙，甚至以間諜罪逮捕錢學森。最終，宣告無罪的錢學森被長期軟禁在家 中。錢學森寫信輾轉與祖國取得聯系，周恩來授命用11名美國戰犯飛行員換回了錢學森。面對新中國技術、人材、工業等各方面的空白，錢學森帶領科研職員從仿造動手，根據現有技術和條件逐步研究、完善，奠定了中國導彈的基礎。1960年11月，第一枚導彈試射成功。1964年10月，第一枚原子彈試驗成功，錢學森又承擔起了研制火箭運載原子彈進行遠程攻擊的使命，他帶領科研職員降服了天氣地理等難題，完成兩彈對接，1966年10月在羅布泊靶場成功試射新中國第一枚核導彈！晚年的錢學森對妻子（張雨綺 飾）布滿愧疚，但妻子的理解讓他倍感安慰。