上世纪四十年代，加州理工学院的中国科学家钱学森（陈坤饰）因美国国内反共言论而遭遇困境。他的尖端技术研究被迫中止，并被要求离境。尽管面临重重挑战，钱学森心系祖国，归国愿望强烈。美国方面意识到钱学森的价值，设置了种种障碍，并以间谍罪对他进行了指控和软禁。在多方努力下，最终通过用11名美国战犯飞行员交换，钱学森得以获释回国。回到中国后，面对技术、人才、工业等各方面的空白，钱学森与科研团队从仿制开始做起，逐步发展并完善导弹技术的基础。1960年11月，第一枚国产导弹试射成功；1964年10月，第一颗原子弹试验成功，标志着中国在核武器领域取得了重大突破。钱学森随后承担起了研发火箭运载原子弹进行远程攻击的任务，并带领团队克服了天气、地理等多重困难，在罗布泊靶场于1966年10月成功试射了新中国第一枚核导弹。晚年时，钱学森对妻子（张雨绮饰）的愧疚之情溢于言表，但家人的理解与支持让他倍感安慰。这部电影不仅展现了钱学森个人的成长历程和科学成就，也体现了他对中国科技发展所做出的巨大贡献。
