上世纪四十年代，美国加州理工学院终身教授钱学森（陈坤 饰）因政治原因遭遇困境，被迫中断尖端技术研究并被驱逐出境。怀着对祖国的热爱和责任感，他不顾一切要回国。然而，归国之路充满艰辛，甚至被指控间谍罪。经历种种磨难后，他最终被证明清白，但遭软禁在家。　　钱学森通过书信与祖国取得联系，最终在周恩来的安排下以战犯换回国。回国后，面对技术空白，他带领团队从仿制出发，逐步完善，为中国导弹技术奠定基础。　　1960年，中国成功试射第一枚导弹。1964年，第一枚原子弹试验成功。钱学森又率领团队研制火箭运载原子弹，1966年成功试射新中国第一枚核导弹！晚年，他对妻子（张雨绮 饰）充满愧疚，但妻子的理解和支持让他感到无比安慰。