1949年新中国建立以来，虽然人民当家做主人，但是新政权还随时面临被海外敌对势力所颠覆的严峻现状。惨烈的抗美援朝战争结束后，曾经立下赫赫战功的冯石将军（李雪健 饰）接到中央委派的重要使命，那就是主持原子弹的研发工作。虽然对原子弹一窍不通，但是军人出身的冯石只有服从上级的命令，带着一支经过烈火淬炼的英雄部队挺近荒凉的戈壁滩。在此之后，以美国留学归来的陆光达（李幼斌 饰）等科学界的精英人才从四面八方调到了西北荒漠。
白手起家，艰苦创业，在内无经验外断支援的艰苦条件下，一群怀着崇高理想的无名男儿朝着共同的目标奋勇前行……

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。

二十世纪八十年代初，中国航天事业进入一个全新的发展时期，返回式卫星多次试验成功，通信卫星也进入实施阶段。组织安排软件专家赵汉章（李雪健饰）改行任政委，他虽不忍心放弃自己热爱的专业，但还是服从了组织的安排。
赵汉章到军队院校接怍了一批大学毕业生，由于观念的差异，新老科技干部之间互有看法。在对国产计算机的改造工作中，孙伟和李辉等一批年轻人积极请战，与老同志一起加班加点，潜心攻关。在共同的工作中，新老同志相互理解、相互融合、相互信任。
设备改造刚完成，传来苏联1402号核动卫星失控即将陨落地面的消息，中央军委命令测控技术专家部对这颗可能带来灾难珠卫星实施观测和拦截。经过反复观测和计算，他们确定了该卫星陨落的时间和方位，与卫星实际陨落时间仅差2分钟，与实际落区非常接近，跟世界航天测控界进行了一次成功的对话，显示了中国航天测控领域非凡的计算能力。
李辉、孙伟、丁子健和彭晓东等在担负重大试验任务中逐渐成熟并成为中坚力量，而赵汉章等老同志先后退体，退休前，赵汉章向成长真情年轻人讲一番肺俯这言：“……作为一名测控人，我从来没有后悔过，也永远不会后悔。在太空，有了一条属于中国的轨道，看好中国的天空。”
该剧艺术地表现我一国两代航天测控人不畏艰难、锐意创新、追星揽箭动人风采，展示了我国航天测控技术走向世界的辉煌跨越。

史诗大剧讲述了“ 两弹一星”及其信念 ﹐记录了贫困经济条件、薄弱的技术基础和艰苦的工作条件下﹐六十年代的科学家们以惊人的智慧与毅力﹐创造出“两弹一星”的民族奇迹。