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上世紀四十年代，加州理工學院終身教授錢學森（陳坤飾）因爲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，並被責令出境。錢學森心繫祖國，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繫，周恩來授命用11名美國戰犯飛行員換回了錢學森。面對新中國技術、人才、工業等各方面的空白，錢學森帶領科研人員從仿製入手，根據現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製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。