1960年代末期，千百万北京、上海等大城市的红卫兵和老三届响应毛主席“知识青年到农村去，接受贫下中农的再教育，很有必要”的号召，奔赴全国各地农村生产建设兵团，谱写了一曲曲动人的青春之歌。在黑龙江生产建设兵团，涌现出赵天亮（唐曾 饰）、周萍（傅晶 饰）等一大批建设边疆、保卫边疆的有志青年。在陕北、山东屯涌现出赵曙光（程皓枫 饰）、冯晓兰（李欣凌 饰）、许蕾（周娟 饰）等志愿献身农村的知识青年，在城市家中，他（她）们大多是父母眼里的长不大的孩子，可是在边疆、在农村，他们成长为真正的战士，也有部分青年永远长眠在了那片土地上......

1955年，国际局势风云变幻，新中国的建设迫在眉睫，身处他乡的中国知识分子中掀起了一股归国热潮。留美物理学教授钟培林，留苏深造的王怀民、何吟薇夫妇和黄凯华等物理人才克服重重阻力，辗转踏上报国之路。1958年中国的第一个核武器研究机构A所成立，王怀民与战争英雄陶志纲、护士杨佳蓉以及彭雄飞、黄凯华、钟心等科学家一同加入A所开始了原子弹研发工作。他们在研发过程中渡过了研发条件艰苦、自然灾害等重重危机。终于在1964年10月16日成功试爆了中国首颗原子弹。大家欢腾雀跃，又一鼓作气地投入到氢弹和两弹结合的研究中去，不久，这两项伟大的事业也相继取得了胜利。王怀民和杨佳蓉，陶志纲和钟心也终于在同一天迈入了婚姻的殿堂。1978年，科学的春天终于到来，王怀民却因积劳成疾将不久于世。医院里，他用尽力气，在民用核电报告的扉页上写下了他们几个人的名字。