中国政府秘密派部队前往新疆罗布泊，寻找适合军火实验的基地。核研究基地张觉司令带领部队抵达新疆罗布泊，在边远地区发现了先人留下的墩煌壁画。先人将神仙飞天的情景描绘得惟妙惟肖，张觉进入莫高窟，一脸惊叹打量四面墙上的壁画。

先人画技巧夺天功，浑然天成。张觉怀着敬仰的心理，决定向上级汇报在新疆发现了壁画。核实验虽然重要，但老祖宗留下的文化遗产也非常重要，不能因为做核实验破坏老祖宗留下来的文化。罗布泊荒凉无比，地表覆盖着沙漠，进入罗布泊，很难找到水源。

核实验部队深入罗布泊，缺少水源。一些战士发现不远处有大海，于是发出欢呼声，下车往大海出现的方向奔去。张觉举起望远镜眺望大海，所谓的大海其实是海市蜃楼。张觉大声提醒战士们回来，在他的呼喊声中，战士们这才意识到远处没有海，只是一场幻像。

队伍里负责找水的董大个失踪不见，张觉一行人漫无目地在沙漠里寻找，找到了董大个留下的刀。一行人按照刀指向的方向，找到了水源。董大个为了找到水源，付出了自己的生命。张觉一行人心情沉重埋葬了董大个留下的遗物。

有水的地方适合长期扎驻，张觉吩咐通讯兵给组织发电报，汇报已经在罗布泊找到了适合研究核武器的基地。钱学森(郭晓冬 饰)回国后投入到核武器研究中，苏联政府出尔反尔，半途撤回帮助中国研究核武器的专家。没了苏联专家指导，核武器研究团队进度缓慢。

邓稼先把研究所当成自己的家，很久没有回家了，连自己生日到来也不知道。钱学森端了一碗好菜给钱学森庆生，钱学森认为团队里面还有其它人也有可能在过生日，他决定不过生日了，等到研究出核武器后，再给队员们办一个大生日宴。

秦品元是火箭推进专家，但他因为政审不过关，无法参加核武器研究。有关部门领导非常重视秦品元，责令负责政审的部门重新审核秦品元。秦子袊不远万里赶到新疆罗布泊，正好看到李响(李麟 饰)在教训想写信回家的战士们。写信有可能泄露政府研究原子弹，李响告诉战士们，众人负责建设原子弹实验基地，如果想回家，只有实验成功了才能回家。

核实验团队反复计算苏联专家留下的数据，但始终算不对。邓稼先意识到了苏联专家故意提供了错误的数据，于是反其道行之，终于带领团队算出了正确的数据。余秋里跟周恩来(夏德俊 饰)通电话，周恩来过问石油开采进度。余秋里信心十足，保证完成政府的任务。

余秋里请来了石油钻井队长王进喜。王进喜带了几十个队员过来，积极向余秋里请求布置任务。余秋里希望王进喜团队先休息，王进喜认为余秋里大老远召集他的团队，任务一定非常紧急，他不同意休息，恨不得立即开始干活。