1961年1月，從事基礎(chǔ)領(lǐng)域研究的研究員于敏(雷佳音 飾)突然被帶走問話，是關(guān)于他在國民黨后勤軍官的叔叔于振林的，因為他要照顧奶奶一家，于敏每個月都會給他匯錢。于敏被帶走后妻子孫玉芹(倪妮 飾)急匆匆地帶著女兒去找領(lǐng)導(dǎo)老郝(田小潔 飾)，問他是不是犯了大錯誤。老郝連忙去找了部長，他是絕對相信于敏的。在老郝和部長的保證下，于敏才能夠脫身。

于敏和孫玉芹一直在為出國留學做準備，為此還特地改了一身特別好看的西服。老郝匆匆來找于敏，打著看戲的名義約于敏談事。于敏看得出來老郝的意圖，孫玉芹也就帶著女兒于元回家去了?？赐陸蚶虾虏诺莱鰜硪猓虾孪氚延诿粽{(diào)去別的領(lǐng)域，去做氫彈理論預(yù)研工作。于敏同意了，老郝驚訝于他的爽快，他本是個角兒，可是一旦過去就要從零開始，點了頭不僅要放棄留學，放棄之前的所有榮譽，更要隱姓埋名把這個秘密帶到墳?zāi)估铮瑥拿魈炱鹫l也不會知道于敏在做什么，包括家人。于敏的態(tài)度依然很堅決，想要和平就要有不把打仗的底氣，這就是核平衡。既然我們造的就是底氣，這是關(guān)乎國家存亡的事情，必須干！

這件事情孫玉芹全然不知，還在為留學做準備，苦練英語。于敏告訴師傅不用把衣服改成西裝了，晚上又告訴孫玉芹說他只能每個禮拜天回來，也不出國了。孫玉芹實在想不通于敏要去干嘛，老郝也是支支吾吾的，于敏索性順著她的話說是做炸彈。次日，于敏正式去上班，第一日就聽到大家在爭論一個專業(yè)問題，他也說了幾句，也把大家擅長的領(lǐng)域分析地很透徹。老郝趕來后大家才知道，原來這個看起來很厲害的人就是于敏。老郝安排于敏和陸杰(王驍 飾)一起搭檔，不過也許是剛剛的爭論陸杰沒有理會于敏。

孫玉芹把厚厚的，記滿英語單詞的筆記本燒了，于敏則從此投身進了氫彈基礎(chǔ)的理論研究中。陸杰一直不服氣于敏，所以和于敏打一場賭，同事們擠在一起看他們的熱鬧。于敏輸給了陸杰，繞著操場跑了好幾圈大喊“我輸給陸杰”了。但于敏只是這一把輸給陸杰了，剛跑完沒歇口氣于敏就說他的算法和報紙上的數(shù)據(jù)都有問題，陸杰對此不屑一顧。

于敏總是第一個去食堂打飯，走的時候還帶點蘿卜條，同事們都以為他是為了占便宜，陸杰也諷刺他不應(yīng)該這么干，還偷偷把蘿卜條拿走了。直到于敏趴在桌上腹痛難忍，陸杰才意識到問題的嚴重性。送到醫(yī)務(wù)室后他才于敏有十二指腸潰瘍，肚子餓更容易加劇疼痛，這也是老毛病了。經(jīng)此，大家才解開了對于敏的誤會，再次回去工作后，于敏發(fā)現(xiàn)自己的抽屜里塞滿了糧食。于敏周末回家時也忙著研究，最近糧食緊缺，孫玉芹讓他去剪點兒柳樹芽，至于怎么吃她有辦法。

科研工作難，再加上食物不夠，大家常常熬到晚上餓得兩眼冒金星，陸杰也是。為了解決這個問題，于敏帶著大家下水撈魚，不過他水性不太好，就在岸邊等著。于敏的姐姐于愫(胡可 飾)來家里了，鄰里都傳于敏政審出了問題孫玉芹要和他離婚，于愫才會拿著這么多東西來勸她。