1937年抗日戰(zhàn)爭(zhēng)全面爆發(fā)，北平和天津相繼淪陷，八路軍奮勇抵抗，但因軍工技術(shù)落后，在抗戰(zhàn)中遇到了極大困難，大批愛(ài)國(guó)知識(shí)分子紛紛加入到抗日的洪流中。

1938年，清華大學(xué)天津辦事處的學(xué)生熊大縝(張藝興 飾)拎著一箱子書(shū)籍去法租界接頭，陳廣從旅店出來(lái)，就發(fā)現(xiàn)四周埋伏了很多特務(wù)，他遠(yuǎn)遠(yuǎn)看到熊大縝用自行車(chē)推著行李箱過(guò)來(lái)，趕忙鳴槍示警，結(jié)果不幸中彈受傷，陳廣為了掩護(hù)熊大縝被埋伏的日軍團(tuán)團(tuán)包圍，最后被亂槍打死。

熊大縝目睹這一幕，傷心地痛不欲生，他拎著行李箱回到分社，教授葉企孫(王鑫 飾)狠狠教訓(xùn)了他一頓，熊大縝品學(xué)兼優(yōu)，對(duì)所學(xué)的紅外線和核物理專(zhuān)業(yè)更是精益求精，葉企孫對(duì)他寄予厚望，費(fèi)盡周折才搞到去德國(guó)留學(xué)的名額，可熊大縝一心就想研究烈性炸藥為國(guó)效力，葉企孫替他可惜，熊大縝想起慘死的陳廣，更加堅(jiān)定了用自己所學(xué)知識(shí)研制烈性炸藥趕走日本人的決心。

熊大縝想去教八路軍戰(zhàn)士們制造火藥，他向未婚妻宜茗賠禮道歉，答應(yīng)兩個(gè)月以后就回來(lái)，臨走，宜茗和熊大縝照了一張合影照片。

熊大縝和同學(xué)汪德熙一起來(lái)到八路軍冀中根據(jù)地，他們倆向戰(zhàn)士們傳授黑火藥的知識(shí)，戰(zhàn)士們聽(tīng)不懂。由于運(yùn)輸線路被日軍封鎖，制造火藥的原材料根本運(yùn)不進(jìn)來(lái)，熊大縝帶著戰(zhàn)士們用肥田粉作原料加工黑火藥，可是好景不長(zhǎng)，日軍又對(duì)肥田粉嚴(yán)加控制。熊大縝決定用塔式法從觀音土提煉硫磺，他和汪德熙試驗(yàn)了一次又一次，結(jié)果都無(wú)功而返。

熊大縝不眠不休，不吃不喝，仔細(xì)核算所有的數(shù)據(jù)，結(jié)果還是一籌莫展，他心急如焚。熊大縝只好給老師葉企孫寫(xiě)信求助，可最后還是一把火燒掉了，擔(dān)心這封信給葉企孫帶來(lái)殺身之禍，熊大縝決定親自回天津拿資料，戰(zhàn)士們不放心，都要求替他去天津，熊大縝婉言謝絕。

熊大縝再次回到天津，一出站就被特務(wù)盯上，多虧組織上的人把特務(wù)引開(kāi)，熊大縝才得以順利回到辦事處見(jiàn)葉企孫，葉企孫把制造火藥的書(shū)籍全部裝上，還安排幾個(gè)化學(xué)系的同學(xué)和熊大縝一起去根據(jù)地。臨行前，熊大縝來(lái)看宜茗，才知道她跟著家人搬走了。

熊大縝帶著遺憾回到根據(jù)地，經(jīng)過(guò)他和同學(xué)們多次試驗(yàn)，終于制造出了烈性炸藥，汪德熙勸熊大縝去找找宜茗，熊大縝想等戰(zhàn)爭(zhēng)勝利了再說(shuō)，他馬上投入定時(shí)起爆器和雷管的研制中。熊大縝和清華大學(xué)的同窗一起研制烈性炸藥和雷管，沉重打擊了侵華日軍，被人稱(chēng)為“地雷戰(zhàn)之父”。