上世纪四十年代，加州理工学院终身教授钱学森（陈坤 饰）因为美国兴起的反共言论而备受打击。他的尖端技术研究被迫中止，并被责令出境。钱学森心系祖国，归心似箭，而意识到钱学森的巨大价值的美方又对其归国设置了上世纪四十年代，加州理工学院终身教授钱学森（陈坤 饰）因为美国兴起的反共言论而备受打击。他的尖端技术研究被迫中止，并被责令出境。钱学森心系祖国，归心似箭，而意识到钱学森的巨大价值的美方又对其归国设置了重重障碍，甚至以间谍罪逮捕钱学森。最终，宣告无罪的钱学森被长期软禁在家 中。
钱学森写信辗转与祖国取得联系，周恩来授命用11名美国战犯飞行员换回了钱学森。
面对新中国技术、人才、工业等各方面的空白，钱学森带领科研人员从仿制入手，根据现有技术和条件逐步研究、完善，奠定了中国导弹的基础。
1960年11月，第一枚导弹试射成功。
1964年10月，第一枚原子弹试验成功，钱学森又承担起了研制火箭运载原子弹进行远程攻击的任务，他带领科研人员克服了天气地理等困难，完成两弹对接，1966年10月在罗布泊靶场成功试射新中国第一枚核导弹！
晚年的钱学森对妻子（张雨绮 饰）充满愧疚，但妻子的理解让他倍感安慰
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