在20世纪40年代，加州理工学院终身教授钱学森（由陈坤扮演）因受到美国反共言论的影响，其卓越的技术研究工作遭遇阻碍，导致研究工作暂停，并被要求离境。钱学森心怀对祖国的深厚情感，迫切希望回到祖国怀抱，然而，美国政府为了保护其安全，设置了一系列障碍，并以间谍罪为由对钱学森进行逮捕。经过一系列法律程序，钱学森最终被证明清白，但被长期限制在家中。钱学森通过书信与祖国保持联系，最终得到周恩来总理的指示，用11名美国战犯飞行员交换，成功将钱学森接回国内。面对新中国在技术、人才和工业等方面的不足，钱学森带领科研团队从仿制开始，逐步研究和完善，为中国导弹和原子弹研制奠定了基础。1960年11月，中国成功试射第一枚导弹。1964年10月，第一枚原子弹试验成功。钱学森随后承担起研制火箭运载原子弹进行远程攻击的任务，他带领团队克服了重重困难，在1966年10月的罗布泊靶场成功试射了新中国第一枚核导弹。在晚年时期，钱学森与妻子张雨绮（由张雨绮扮演）的关系备受关注