上世紀四十年代，加州理工學院終身教授錢學森（陳坤 飾）因為美國興起的反共言論而備受打擊。他的尖端技術研究被迫中止，并被責令出境。錢學森心系祖國，歸心似箭，而意識到錢學森的巨大價值的美方又對其歸國設置了重重障礙，甚至以間諜罪逮捕錢學森。最終，宣告無罪的錢學森被長期軟禁在家 中。
錢學森寫信輾轉與祖國取得聯(lián)系，周恩來授命用11名美國戰(zhàn)犯飛行員換回了錢學森。
面對新中國技術、人才、工業(yè)等各方面的空白，錢學森帶領科研人員從仿制入手，根據(jù)現(xiàn)有技術和條件逐步研究、完善，奠定了中國導彈的基礎。
1960年11月，第一枚導彈試射成功。
1964年10月，第一枚原子彈試驗成功，錢學森又承擔起了研制火箭運載原子彈進行遠程攻擊的任務，他帶領科研人員克服了天氣地理等困難，完成兩彈對接，1966年10月在羅布泊靶場成功試射新中國第一枚核導彈！
晚年的錢學森對妻子（張雨綺 飾）充滿愧疚，但妻子的理解讓他倍感安慰。
