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。