上世纪40年代，加州理工学院终身教授钱学森(陈坤饰)因美国的反共言论受到重创。他的尖端技术研究被中止，并被勒令离境。钱学森心系祖国，归心似箭，但美国意识到他的巨大价值，对他回国设置了诸多障碍，甚至以间谍罪逮捕了钱学森。最终，被判无罪的钱学森被长期软禁。钱学森写信与祖国取得联系，周恩来下令用11名美国战犯飞行员交换钱学森。面对新中国在技术、人才、工业等方面的差距，钱学森带领科研人员从仿制入手，根据现有的技术和条件，逐步研究改进，奠定了中国导弹的基础。1960年11月，第一枚导弹试射成功。1964年10月，第一颗原子弹试验成功，钱学森承担了研制火箭携带原子弹进行远程攻击的任务。他带领科研人员克服天气、地理等困难，完成了两弹对接。1966年10月，新中国第一枚核导弹在罗布泊靶场试射成功！晚年的钱学森对妻子(张雨绮)充满愧疚，但妻子的理解让他感到安慰。