上世纪四十年代，时任加州理工学院终身教授的钱学森（陈坤 饰）因美国社会兴起的反共言论受到沉重打击，不仅尖端技术研究被迫中止，还被责令离境。心系祖国的钱学森急切盼望归国，但意识到其重要价值的美方百般阻挠，甚至以间谍罪将他逮捕。尽管最终被宣告无罪，他仍遭到长期居家软禁。
钱学森通过书信辗转与祖国取得联系，周恩来最终下令以11名美国战犯飞行员交换钱学森。回到百废待兴的新中国后，面对技术、人才和工业基础的全面空白，他带领科研人员从仿制起步，结合现有条件逐步探索完善，为中国导弹事业奠定基础。1960年11月，中国第一枚导弹试射成功；1964年10月，第一枚原子弹试验成功。随后，钱学森又承担起研制火箭、运载原子弹实施远程攻击的任务，带领科研人员克服天气、地理等重重困难，完成“两弹”对接。1966年10月，新中国第一枚核导弹在罗布泊靶场成功试射。
晚年的钱学森始终因长期投身科研而对妻子（张雨绮 饰）心怀愧疚，而妻子的理解与支持也让他深感安慰。
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