1950年，中华人民共和国成立后第106天，和妹妹秦子佩来到天安门广场，她们俩很兴奋，秦子衿的身体里还残留一颗子弹，她耿耿于怀的是位于东交民巷的美国领事馆还有驻军。与此同时，李响带解放军来到美国领事馆，领事柯乐柏硬着头皮出来，李响向他宣布了一道驱逐令，因为中美没有建交，他们只是普通美国公民，不能继续住在大使馆，柯乐柏只好乖乖离开，秦子衿和秦子佩看到这一幕，心里别提多开心了。
身在和志同道合，他们俩一心想回国参加建设，可美国政府把钱学森的八个行李箱全部扣押，不许他离开住处，随后，美国特工又把钱学森抓走。天津文工团的作曲家王梓来到北京，亲眼目睹了物理学家邓稼先回国，人们夹道欢迎，邓稼先激动万分，带着大家一起高唱国歌，王梓在一旁伴奏。
王梓乘坐火车从北京回天津，他灵感大发，当场写了几句歌词。王梓冒着大雨回家，身怀六甲的妻子王慧芬正在家里等他，王梓迫不及待哼唱起来新写的歌曲，王慧芬突然腹痛难忍，眼看孩子就要出生了，王梓赶忙把她送去医院，王慧芬生了一个女儿，王梓抓紧一切时间写完那首歌。
王梓在收音机里听到自己写的那首“歌唱祖国”，他兴奋地跟着一起唱，王慧芬也为他高兴，王梓当即决定要参加抗美援朝志愿军，王慧芬也不便阻拦。1955年，李四光和在广西梧州发现铀矿石，他们第一时间来向汇报，铀是制造原子弹最重要的原材料，建议让地质学院的学生们提前毕业去开发铀矿。
毛泽东不想再被外国列强压迫，让李四光和钱三强尽快着手原子弹的开发。秦子佩放弃了保研的名额，主动要求参加地质队，秦子衿在新华社做记者，她来到火车站送她，苦苦规劝她不要放弃保研，可秦子佩觉得自己的工作更有意义，她想秦子衿保密。
秦子佩和同学们来到湖南郴州的大山深处探测，很快找到铀矿脉，秦子佩想用这次的成果作为献给国庆的礼物，她亲自到悬崖峭壁上勘测，终于发现了矿脉的中心，她很开心，突然脚下一滑摔落山崖。
秦子衿来为秦子佩送葬，她伤心地痛不欲生，至今不知道秦子佩是做什么工作的，没法向老父亲交代。秦子佩的父亲秦元是火箭专家，他得知秦子佩的死讯，伤心地无以复加。钱学森向祖国发出了求救信，美国留学生走上街头游行示威，强烈要求放钱学森夫妇回国，美国政府迫于压力，只好把钱学森和蒋英回中国。
钱学森和蒋英终于踏上了回国的轮船，他们俩站在甲板上百感交集，一起高唱“歌唱祖国”。钱学森一回国就被请到中央军委讲课，陈赓亲自在大门外迎接他，和等开国大帅都在场，钱学森发誓要从今天开始创造奇迹，成立中国的火箭军。
邓稼先来找机械部部长钱三强报到，钱三强邀请他参加火箭炮的研发，可从今以后邓稼先就要从学术界消失，不能发表论文，不能公开发表任何言论，对亲人要保密，而且是无限期的，邓稼先愿意遵守这样严苛的要求。
邓稼先妻子是医院的医生，她下班匆匆赶回家给孩子们做饭，看到邓稼先已经做好了，还把孩子们哄睡着了，许鹿希大惑不解。邓稼先拼命讨好她，这更让许鹿希一头雾水，饭后，邓稼先把许鹿希叫出来单聊，他要换工作了，可能会消失很长时间，许鹿希理解他的不得已，也没有多问，邓稼先紧紧搂着许鹿希，两个人像以前一起哼唱“杨家将”。
