1940年代，加州理工学院终身教授钱学森（陈坤）因美国反共言论的兴起而深受打击。他的尖端技术研究被迫停止，并被勒令出境。钱学森心系祖国，心系故乡。然而，美国察觉到钱学森的巨大价值，为他回国设置重重障碍，甚至以间谍罪逮捕了钱学森。最终，被无罪释放的钱学森长期被软禁在家中。钱学森写信与祖国取得联系，周恩来奉命用钱学森交换11名美国战犯飞行员。面对新中国在技术、人才、产业等方面的差距，钱学森带领科研人员从模仿开始，根据现有技术和条件逐步研究改进，为中国导弹奠定了基础。1960年11月，第一次导弹试验成功。1964年10月，第一颗原子弹试验成功，钱学森承担了研制携带原子弹进行远程攻击的火箭的任务。他带领科研人员克服天时地利人和的困难，完成了两弹的对接。1966年10月，他在罗布泊靶场。中国第一枚核导弹试射成功！晚年，钱学森为妻子（张雨绮饰）治病……
