上世紀四十年代，加州理工學院終身教授錢學森（陳坤飾）因美國反共浪潮被迫中止尖端技術研究，并被責令出境。面對美方以間諜罪名實施的逮捕與長達五年的軟禁，錢學森通過密信輾轉聯系祖國。周恩來親自部署，以11名美軍戰犯飛行員交換其歸國。面對百廢待興的新中國，錢學森帶領科研團隊從仿制蘇聯導彈起步，在物資匱乏、技術空白的困境中逐步突破關鍵技術。1960年11月，中國首枚導彈發射成功；1964年10月原子彈試驗成功后，錢學森主導火箭與核彈的對接工程。1966年10月，羅布泊靶場成功試射新中國首枚核導彈。晚年錢學森始終感念妻子（張雨綺飾）在事業與家庭間的默默支持，面對長期分離導致的情感隔閡，妻子的理解成為他畢生的精神慰藉。