1949年新中國成立后，面對國際敵對勢力威脅和抗美援朝戰爭考驗，馮石將軍（李雪健飾）受命主持原子彈研發工作。這位不懂核物理的軍人將領帶領部隊進駐西北戈壁灘，與從美國歸來的科學家陸光達（李幼斌飾）及各方調集的科研精英會合。在蘇聯專家突然撤離、技術資料被封鎖的情況下，團隊既要克服極端自然環境和物資匱乏的生存困境，又要突破理論計算與實驗驗證的技術瓶頸。馮石以軍事化管理模式統籌工程進度，陸光達帶領團隊完成鈾濃縮和核裝置設計等關鍵環節。經過數年攻堅，1964年中國首顆原子彈試驗成功，蘑菇云在羅布泊騰空而起，標志著國防科技體系實現歷史性突破。