沙漠条件艰苦，王明山(石兆琪 饰)带领的战士们几乎坚持不住。王明山得到了上级的允许，告诉大家正在执行的是寻找原子弹试爆地点的任务，钟教授给战士们讲解我们的国家正受着美帝国主义核武器的威胁，只有我们拥有了核武器就能抵抗帝国主义的威胁，是这个时代最伟大的任务。战士们听后热泪盈眶，表示就算牺牲也值得。苏联仍然没有送来模型，大家再次失望离开。苏联人总是诸多借口拒绝运送原子弹模型。王怀民(李光洁 饰)想起钟心(徐晓璐 饰)有照相机，于是新的计划开始了。王怀民等人用相机拍下了黑板上被擦掉的图，又在暗房做技术处理，不断拼图计算。大家夜以继日不断拼凑。
终于，一幅完整的原子弹内部结构图被拼凑出来，众人雀跃欢呼。大家商量着在发生变故之前尽可能多的掌握更多的知识和技术。不料陶志纲(李健 饰)突然闯进来询问，而且是接到举报说这几个人特别活跃，陶志纲和众人抢夺照相机的时候曝光了相机底片，毁了大家收集到的所有资料。王怀民一通科学理论怒怼陶志纲让其无言以对。A所保密包制度实行，每个同志上下班都要领取和送还保密资料。王怀民对保密包计划信心十足，他的大脑完全可以记住所有的知识。黄凯华(朱铁 饰)妻子向其提出离婚并带走孩子，陶志纲愿给黄凯华提出帮助，但是黄凯华决心已定还是签下了离婚协议。
陶志纲告诉黄凯华保密包不是针对他们几个而是更好的保护资料安全，黄凯华告诉陶志纲王怀民的事情而且劝告陶志纲更多地去了解这些科学家们。杨佳蓉(高露 饰)冒着雨接振理回家，振理十分开心。钟心在男生水房帮王怀民和其他科学家洗衣，王怀民突然闯进水房告诉大家之前研究的九号核材料利用率低爆点低，改用五号材料，大家重新计算模型公式，再继续压榨苏联专家一定能成功研制五号材料。陶志纲告诉大家一个沉重的消息：苏联人撤走了。苏联专家离开前，把所有带不走的资料都烧毁了。苏联单方面解除原子弹援助条约，大家情绪激动要抢回资料被拦截。但苏联之前在华所做的一切为中国第一颗原子弹研制成功打下基础。
黄凯华突然向大家宣布自己放弃研究且离婚的事情，黄凯华虽然甘心为祖国的一切奉献自己，哪怕是妻离子散只要能造成原子弹自己也认了，但是现在可能造不出原子弹自己的价值和意义全无。黄凯华第二日写信给妻子愿意调回广州与其团聚请求复婚。陶志纲紧张国家放弃制造原子弹，和傅首长说实话自己对于原子弹的感受，但是被傅首长批评，两人争辩原子弹造出不易困难重重。
王怀民去看杨佳蓉和孩子，结果杨佳蓉因为工作和照顾振理染上重感冒晕倒住院，王怀民才从杨佳蓉朋友处得知杨佳蓉是南京大屠杀的亲历者，家人全部在南京大屠杀中遇难。朋友向王怀民指明杨佳蓉的心意。黄凯华收到妻子再婚的回信，彭雄飞(苏茂洋 饰)也得到苏联专家全面撤离的消息，两人心情不佳一起去喝酒。杨佳蓉醒来看见王怀民所做的一切很开心，杨佳蓉隐瞒1949年见过王怀民事实而且鼓励王怀民去找到自己的志同道合的人。
林安城(寇振海 饰)教授带来了毛主席说的话我们可以自己试试，苏联人帮忙是好，不帮忙我们也可以。苏联专家撤走之后留给中国人的是更广阔的舞台，有更多科学英雄崛起，并且中国的三个铀矿厂都即将投入使用，那么中国要自己做原子弹，走出一条自己的原子弹之路，这个消息令众人热血沸腾。大家齐声喊着自力更生，艰苦奋斗的口号，誓要造出中国人自己的原子弹。